http://gordon0030.narod.ru/archive/14645/index.html
Динамическая нестабильность воды
↓№ 277↑ Дата выхода в эфир 06.08.2003 Хронометраж 49:00
С Стенограмма эфира
Каким образом в Мировом Океане и атмосферных осадках появляется пероксид водорода, обычная концентрация которого в природной воде ничтожно мала? Можно ли рассматривать воду как динамически нестабильную полимерную систему, предположив, что в ассоциатах воды происходит процесс обмена молекулами, при котором часть молекул воды «ломается»? Является ли атмосферный кислород исключительно продуктом биологического фотосинтеза? О роли пероксида водорода в природных процессах Земли — физик Дмитрий Селивановский и биолог Владимир Воейков.
Участники:
Селивановский Дмитрий Андреевич — кандидат физико-математических наук (Нижний Новогород), старший научный сотрудник Института прикладной физики РАН
Воейков Владимир Леонидович — кандидат биологических наук, доцент, заместитель заведующего кафедрой биоорганической химии Биологического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова, член Координационного совета Международного Института Биофизики (IIB e.V., Neuss, Germany).
Обзор темы
(По материалам работ Д. А. Селивановского и В. Л. Воейкова.)
Основа жизни на земле — вода, подобных ей веществ в природе нет. Что же такое Н2О? Вода — это гидрид кислорода. Кислород расположен в главной подгруппе 6-ой группы периодической таблицы, вместе с серой, селеном, теллуром и полонием. Гидриды этих элементов — весьма ядовитые газы с низкой температурой кипения. Однако из-за водородных связей вода имеет другие свойства. Вода — почти единственное вещество (есть еще хлористое серебро), расширяющееся при замерзании. Из-за этого водоемы не промерзают до дна и в них возможна жизнь. Вода имеет максимальную плотность не при замерзании, а при t° = +4 °C, из-за чего под водой зимой живут рыбы. Вода обладает самой большой теплоемкостью. Вода — универсальный растворитель, и поэтому в клетке могут идти химические реакции.
Кроме того, вода — это полимер, состоящий из огромных молекул — ассоциатов. Механохимия, изучающая диструкцию полимеров, рассматривает этот процесс как естественный путь старения подобных веществ. Разорванные химические связи в полимерах не восстанавливаются, однако это не относится к ассоциатам воды. Вода восстанавливается. Итак, предлагается и всесторонне анализируется гипотеза о механизме генерации пероксида водорода в природе, обусловленного механохимическими реакциями диссоциации молекул воды на радикалы. Учет этого механизма позволяет с новых позиций оценить роль H2O2 во многих природных процессах, в частности в сохранении кислорода в атмосфере Земли.
Сделанные оценки показывают, что каждый год в океан добавляется такое количество H2O2, которое должно бы было увеличивать концентрацию H2O2 в океане не менее чем на Δn(H2O2) = 5 · 10−10 М/год. Этот поток H2O2 (без учета постоянно происходящих потерь H2O2) за счет механохимической диссоциации воды на Земле рассчитан нижегородскими учеными в Институте прикладной химии, под руководством члена-корреспондента Г. А. Домрачева. И, даже если потери образующегося H2O2 составляют 50–70%, — эта оценка на порядок превышает потери пероксида водорода из-за каталитического разложения металлами, содержащимися в воде — то и остающегося потока H2O2 хватает для вполне удовлетворительного объяснения присутствия H2O2 в водах дождей и в водах океана.
Предложенный учеными механизм диссоциации воды в природных условиях позволяет также оценить глобальные потоки некоторых веществ на Земле, которые осуществляются благодаря появлению в атмосфере и океане радикалов воды и распаду постоянно образующегося H2O2.
Вода как полимер. Одна из наиболее «привычных» моделей воды, приводимой в большинстве учебников по физической химии — модель Фрэка и Уэна. В соответствии с ней водородные связи в жидкой воде непрерывно образуются и рвутся, причем эти процессы протекают кооперативно в пределах короткоживущих групп молекул воды, названных «мерцающими кластерами». Их время жизни оценивают в диапазоне от 10−10 до 10−11 с. Однако, модель «мигающих кластеров» не может объяснить громадного набора уже давно известных фактов, и тех, что стали стремительно нарастать в последнее время.
В настоящее время появились гипотезы о существовании в воде весьма устойчивых образований. Так, согласно гипотезе С. В. Зенина вода представляет собой иерархию правильных объемных структур, в основе которых лежит кристалло-подобный «квант воды», состоящий из 57 ее молекул. Эта структура энергетически выгодна и разрушается с освобождением свободных молекул воды лишь при высоких концентрациях спиртов и подобных им растворителей. «Кванты воды» могут взаимодействовать друг с другом за счет свободных водородных связей. При этом возможно образование уже двух типов структур второго порядка. Их взаимодействие друг с другом приводит к появлению структур высшего порядка. Последние состоят из 912 молекул воды, которые по модели Зенина практически не способны к взаимодействию за счет образования водородных связей. Этим и объясняется, например, высокая текучесть жидкости, состоящей из громадных полимеров. Таким образом, водная среда представляет собой как бы иерархически организованный жидкий кристалл.
Американский химик К. Джордан предложил свои варианты «квантов воды» из 6 ее молекул. Эти кластеры могут объединяться друг с другом и со «свободными» молекулами воды за счет экспонированных на их поверхности водородных связей. Интересной особенностью этой модели является то, что из нее автоматически следует, что свободно растущие кристаллы воды, хорошо известные нам снежинки, должны обладать 6-лучевой симметрией.
Несмотря на то, что разные модели предлагают отличающиеся по своей геометрии кластеры, все они постулируют, что молекулы воды способны объединяться с образованием полимеров. Но классический полимер — это молекула, все атомы которой объединены ковалентными связями, а не водородными, которые до недавнего времени считались чисто электростатическими.
В 1999 г. было экспериментально показано, что водородная связь между молекулами воды во льду имеет частично (на 10%) ковалентный характер. Даже частично ковалентный характер водородной связи «разрешает», по меньшей мере, 10% молекул воды объединяться в достаточно долгоживущие полимеры. А если в воде есть полимеры воды, то даже слабые воздействия на абсолютно чистую воду, а тем более ее растворы, могут иметь важные последствия.
В химии полимеров хорошо известен тот факт, что под действием механических напряжений, в частности — звуковой обработки, растяжения, продавливания полимера через тонкие отверстия, молекулы полимеров могут «рваться». В зависимости от строения полимера, условий, в которых он находится, эти разрывы сопровождаются либо образованием новых беспорядочных связей между «обрывками» исходных молекул, либо уменьшением их молекулярной массы. Такие процессы служат, в частности, причиной старения полимеров. Редко уточняют, что фрагментация полимеров при подобных воздействиях — явление нетривиальное. Так, например, интактные молекулы ДНК, составленных из сотен тысяч и миллионов мономеров-нуклеотидов, легко распадаются на более мелкие фрагменты от простого перемешивания препарата палочкой. При этом, чем меньше фрагменты, тем более высокой плотности требуется энергия для дальнейшего дробления. Во всех случаях — и в длинных и в коротких полимерах разрываются химически идентичные ковалентные связи. Следовательно, если для разрыва ковалентной связи между двумя атомами в малой молекуле необходимо приложить энергию, эквивалентную энергии кванта ультрафиолетового излучения — или, по меньшей мере, видимого света, то такая же связь в полимере может разорваться при воздействии на него механических колебаний. В первом случае частота колебаний соответствует величинам порядка 1015 Гц, во втором — герцам — килогерцам. Значит, молекула полимера может выступать в роли своеобразного трансформатора энергии низкой плотности в энергию высокой плотности. Образно говоря, полимеры превращают тепло в свет.
В 1990 году Г. А. Домрачев и физик Д. А. Селивановский сформулировали гипотезу о существовании механохимических реакций радикальной диссоциации воды. Они исходили из того, что жидкая вода представляет собой динамически нестабильную полимерную систему и что по аналогии с механохимическими реакциями в полимерах при механических воздействиях на воду поглощенная водой энергия, необходимая для разрыва Н-ОН, локализуется в микромасштабной области структуры жидкой воды.
Поскольку диссоциация молекул воды и реакции с участием радикалов H· и OH· происходит в ассоциированном состоянии жидкой воды, радикалы могут иметь громадные (десятки секунд и более) продолжительности жизни до гибели в результате реакций рекомбинации. При этом открывается путь для осуществления реакций радикалов с различными растворенными в воде акцепторами. Оказывается возможным протекание реакций, обычно требующих больших затрат энергии, таких как окисления атмосферного азота с образованием нитратов и аммиачных соединений, образования углеводородов и других органических соединений, на пример, аминокислот. Предположения Домрачева и Селивановского о возможности механодиссоциации воды полностью подтвердились в эксперименте.
В самое последнее время появились работы зарубежных исследователей, из которых следует, что при определенных условиях разложение воды с образованием в конечном итоге водорода и кислорода, а на промежуточных этапах — радикалов, осуществляется при весьма мягких воздействиях на нее. В 1998 г. были опубликованы две работы японских авторов, в которых сообщалось о каталитическом разложении воды оксидом меди в одном случае при ее умеренном освещении видимым светом, а в другом — просто при ее механическом перемешивании. При этом выход газообразного водорода был очень велик.
Рассчитав эффективность механодиссоциации воды, авторы пришли к чрезвычайно важному выводу о происхождении в атмосфере Земли кислорода, связав его с диссоциацией воды. Если это так, то доминирующая ныне догма о том, что кислород атмосферы исключительно продукт биологического фотосинтеза несостоятельна.
Прежде всего, осуществление радикальной диссоциации воды дает старт процессам разложения воды на кислород и водород. Распад H2O2 происходит в природе с выделением кислорода и воды (кроме случая биохимического окисления, когда фермент пероксидаза катализирует окисление органических веществ с помощью H2O2). Общее количество пероксида водорода в природе, по-видимому, остается примерно на одном уровне. Это означает, что приток H2O2 сбалансирован его потерями. Из общего количества H2O2, которое генерируется в природе каждый год, половина образуется при рекомбинации гидроксил-радикалов. Остальное количество H2O2 образуется путем ступенчатого захвата двумя атомами водорода молекулы свободного кислорода атмосферы. Эта часть пероксида водорода при распаде лишь возвращает в атмосферу Земли кислород, потраченный на реакции нейтрализации атомарного водорода. Таким образом, можно оценить количество молекулярного кислорода, которое пополняет ежегодно атмосферу Земли за счет действия механохимического механизма диссоциации воды:
m(O2) = 0,5 · Δn(H2O2) [М/год] · ½ · V0 [л] = 1,2 · 1011 молей/год
Здесь коэффициент 0,5 указывает на то, что только половина притока пероксида водорода при распаде образует «новый» кислород; Δn(H2O2) = 5 · 10−10 М/год — ежегодная суммарная прибавка H2O2; стехиометрический коэффициент ½ учитывает необходимость распада двух молекул H2O2 для образования одной молекулы О2; V0 = 1,5 · 1021 [л] — объем вод океана.
Для сравнения оценим также общую массу молекулярного кислорода, пополняющего ежегодно атмосферу Земли за счет фотолиза паров воды в атмосфере. Для этого используем данные, предложенные Кальвиным, и считаем, что все диссоциировавшие под действием фотолиза молекулы воды образуют H2O2. Считаем также, что весь образующийся на этом пути H2O2 распадается под действием света с выделением O2:
m(O2) = 0,5 · 1035 [молекул/год] / (N · 2 · 2) = 2 · 1010 моль/год
Здесь один стехиометрический коэффициент 2 в круглой скобке учитывает, что каждая молекула H2O2 требует распада двух молекул воды, а другой стехиометрический коэффициент 2 учитывает, что необходим распад двух молекул H2O2 для образования одной молекулы O2; N — число Авогадро. Коэффициент 0,5, как и в предыдущем случае, учитывает то обстоятельство, что только половина образующихся молекул H2O2 при распаде генерирует «новый» кислород.
Интересно соотнести обнаруженный поток кислорода с его количеством в атмосфере, которое, как считается, равно
m(O2) = 4 · 1019 молей.
В таком случае механохимическое разложение жидкой воды должно обеспечить полное обновление (или создание заново) кислородной атмосферы Земли, если не учитывать «стока» кислорода в природе за счет процессов выветривания, примерно за 3 · 108 лет, т. е. за срок более чем на порядок меньший по сравнению с возрастом Земли.
Для сравнения укажем, что фотолитический процесс образования кислородной атмосферы Земли требует 2 · 109 лет, т. е. временного периода, сравнимого с возрастом нашей планеты (4 · 109 лет). Кроме того, уместно отметить, что гипотеза о фотолизе воды, как изначальном механизме появления свободного кислорода, вообще вряд ли состоятельна, т. к. при фотолизе процесс диссоциации воды имеет неустранимую отрицательную обратную связь. Даже небольшое количество фотолитического кислорода, превратившись под действием того же УФ излучения в озон, останавливает эту реакцию. Озон полностью поглощает излучение, необходимое для фотолиза воды.
Сценарий возникновения кислородной атмосферы нашей планеты. Он связан с появлением на поверхности Земли воды и согласуется с известными представлениями В. И. Вернадского, который полагал существование и поддержание кислородной атмосферы Земли почти столь же древним феноменом, как и образование окисленной оболочки Земли. Земля — необычная планета. Сложные взаимосвязи между сушей, океанами и атмосферой создали условия для возникновения жизни. Обсуждаемый здесь механизм механохимического разложения воды также согласуется с гипотезой изначально гидридной Земли, сформулированной Владимиром Николаевичем Лариным. В соответствии с этой гипотезой известный непрерывный поток водорода из недр Земли является транспортом и для кислорода. Кислород, в свою очередь, принимал участие в создании окисленной внешней оболочки Земли, в том числе вод океана. В соответствии с нашими представлениями после того, как образовавшаяся окисленная оболочка Земли достигла некоторой определенной толщины, образование и поддержание кислородной атмосферы происходило за счет механохимического разложения жидкой воды.
Оценки действия механохимического механизма радикальной диссоциации воды показывают важность, а возможно, и единственность (!) этого механизма в создании первичной кислородной атмосферы Земли и регулировании ее состояния в настоящее время. Образующийся на поверхности Земли «избыточный» кислород, в свою очередь, вновь связывается в различных реакциях. Прежде всего, он реагирует в верхних слоях атмосферы (в термосфере, т. е. выше 120 км), образуя вновь воду. Этот сток кислорода осуществляется благодаря существованию водородного потока из недр гидридной Земли. Кроме того, кислород участвует, видимо, в постепенном увеличении массы окисленной земной коры. Это происходит при погружении части внешних, обогащенных кислородом слоев земной коры, в зонах конвергенции в нижние слои оболочки Земли, а также при процессах выветривания недоокисленных горных пород и постоянно попадающего на Землю недоокисленного космического материала. Общее количество кислорода в атмосфере лимитируется, очевидно, гравитационными свойствами Земли, ее тепловым режимом и мощностью потока водорода из недр Земли.
Кроме того, в ходе радикальной диссоциации воды гидроксил-радикалы и атомарный водород вступают в реакции с азотом атмосферы, растворенным в воде, образуя NOx и NHy — главные источники азота аминокислот. Радикальная диссоциация воды приводит к гидрированию углеродистых, карбидных, карбоксидных веществ, имеющихся в природе, атомарным водородом с образованием формальдегида (при реакциях, подобных фотосинтезу, с растворенным в воде CO2) и целой гаммы углеводородных продуктов. Например, известен механохимический процесс гидрирования углерода (графита) в присутствии воды.
Роль диссоциации воды в связывании атмосферного азота. Роль диссоциации воды в естественном связывании атмосферного азота и образования углеводородов (нитриты, аммиачные соединения, формальдегид и продукты его конденсации), видимо, также определяюща. Вся вода на Земле содержит азот и СО2. Эти вещества, являясь акцепторами радикалов Н и ОН, образуют, в свою очередь, в естественных условиях целую гамму соединений, без которых жизнь на Земле не могла бы осуществляться. Эти реакции наиболее эффективно происходят, в основном, в нижних слоях атмосферы при испарении и конденсации воды. Но и другие процессы: таяние снегов, течения воды в ручьях, в реках и океане, волнение воды, удары капель воды о поверхность воды и суши, т. е. во всех случаях, когда вода подвергается механическим воздействиям, также происходит диссоциация воды, и эти процессы вносят свою лепту в появление радикалов из воды и в протекание разнообразных реакций из-за механохимического распада воды. Все реакции с участием радикалов из воды происходят в жидкой воде на Земле и в кластерах молекул воды в атмосфере.
Оценки потоков N2 и СO2, потребляемых в процессах, сопровождающих механохимическое разложение воды, позволяют объяснить образование углеводородов и их производных (формальдегид и продукты его конденсации). Эти реакции наиболее эффективно происходят, видимо, в нижних слоях атмосферы при переконденсации воды. Все реакции с участием радикалов воды происходят, по представлениям авторов, в кластерах молекул воды, содержащих азот и СО2 и в каплях атмосферной воды, насыщенной газами атмосферы.
Конкретные механизмы такого рода процессов при их протекании в природе еще не изучены. Однако, для некоторых типов реакций, например, сонолиза воды, насыщенной азотом, известно, что в воде, наряду с H2O2, образуются NO2 и NO3 в концентрациях примерно равных концентрации H2O2. Эти реакции, однако, практически не уменьшают выход H2O2 в воде, а происходят за счет ослабления реакции образования вновь воды. Мы примем за основу эти данные, считая, что в процессах диссоциации природной воды, которая всегда насыщена и азотом и СO2, выход связанного азота или связанного углерода будет равен выходу H2O2 в чистой воде.
Для оценок используем характерные величины концентраций H2O2, полученные в ходе многочисленных измерений в атмосфере или в водах дождей многими исследователями.
В таком случае мы можем предположить, что годовое потребление атмосферного азота по совокупному выходу его соединений в реакциях, сопровождающих диссоциацию воды при переконденсации составит:
m(N2 или СO2) = (1 / k) · (2 ÷ 4) · n(H2O2) · Vд [л] = (0,3 ÷ 1) · 1011 молей/год
Здесь умножение на (2 ÷ 4) означает, что мы определяем совокупный выход связанного азота для нескольких типов его соединений с радикалами воды, считая выходы для каждого продукта (например: нитритов, нитратов или аммиака) равноправными; n(H2O2) = 5 · 10−7 М — средняя концентрация H2O2 в осадках; Vд = 4 · 1017 л — ежегодный объем воды в осадках. При оценке принято, что коэффициент k = 10, т. е. оценка сделана по минимуму.
С другой стороны, известно, что в годовом балансе растворенного связанного азота в океане на долю поступлений из дождей приходится:
m(связанного N2) = 4,5 · 1012 молей/год
Кроме того, существуют данные о присутствии cоединений Noх (N2O5, NO2, NO, N2O3, HNO3, HNO2) в атмосфере в количестве m(NОx) = 1011 молей. Указывается также, что в атмосфере время жизни этих соединений на высотах менее 20 км составляет в среднем около 1 месяца. Эта вторая оценка в целом подтверждает предыдущую оценку (7), в которой связанный азот определен по данным его годового поступления с осадками.
Таким образом, имеется удовлетворительное (в пределах порядка) совпадение оценок прогноза об эффективности радикальной диссоциации воды при переконденсации, и данных натурных измерений. В современной литературе связывание азота в атмосфере (прежде всего появление закиси азота) считается следствием либо действия атмосферного электричества при электрических разрядах в грозах, либо как результат сложных процессов с участием бактерий при нитрофикации и дезонитрофикации почв.
Если сравнить выход связанного азота из-за природных причин с мировым годовым производством азотных удобрений в пересчете только на азот: m(N2) = 3 · 1013 молей/год. Таким образом «...представляется, что в настоящее время искусственные удобрения, вводимые в почву, содержат такое количество связанного азота, которое сравнимо с естественным его образованием».
Теперь рассмотрим ситуацию с углеродом. Первоочередным процессом связывания углерода является образование формальдегида СН2О. По аналогии с процессами связывания азота мы оценим количество образующегося в атмосфере формальдегида:
m(СО2) = n(H2O2) · Vдождей = 4 · 1010 молей/год
Здесь, как и в (7), k = 10, и эта оценка также сделана по минимуму.
Из литературы известно, что в атмосфере находится m(CН2O) = 4 · 109 молей СН2О. Однако с учетом того, что характерное время жизни CН2O в атмосфере составляет примерно один месяц, мы получили удовлетворительное совпадение оценок «производительности» формальдегида (СН2О), как следствия механохимической диссоциации воды, и измеренных количеств его наличия в атмосфере. Отметим, что в настоящее время присутствие СН2О в атмосфере объясняется только следствием происходящих также в атмосфере реакций с распадом метана (СН4).
С точки зрения предложенного механизма связывания углерода, можно рассматривать и дальнейшие процессы трансформации углеводородов, их усложнения при механохимических реакциях в воде. Эти реакции приводят к появлению различных видов ископаемых углеводородных веществ (нефти, каменного угля, битумов, горючих углеводородных газов и др.). Можно ожидать, что образовавшиеся сложные нефтеподобные соединения под действием тех же механохимических процессов в присутствии воды могут распадаться на более простые, поддерживая баланс горючих веществ в природе. Таким образом, продукты разложения воды играют, возможно, определяющую роль в химическом балансе этих веществ на Земле.
Биологические объекты в свете новых данных о воде. Их объединяет то, что все они — водные системы. Данные и Насонова, и Бенвенисте говорят, что биологический объект независимо от его природы (микроорганизмы, клетки крови, изолированные органы и ткани, наконец, целостный объект — человек) специфически или неспецифически воспринимает колебания в диапазоне их звуковой частоты. Напрашивается предположение, что первичная «мишень», с которой взаимодействуют колебания звуковой частоты — это вода, являющейся основным химическим веществом в составе организмов.
Самые важные части человеческого организма, организма любого другого животного, растения, в общем, всех живых существ — это вода. И вот, действительно, биохимики очень мало знают о воде, как и рыба, которая плавает в воде, по-видимому, очень мало знает о среде своего обитания. Что говорит современная биохимия по поводу самых разнообразных взаимодействий, регуляторных взаимодействий, которые осуществляются в клетке? Рецепторы воспринимают молекулярные сигналы со стороны внешней среды в виде различного рода гормонов, затем включается масса разнообразных регуляторных факторов, механизмов, вплоть до того, что начинает меняться экспрессия генов в клетках, и она тем или иным образом реагирует на внешние воздействия.
Многочисленные взаимодействия и тщательно изученные структурные компоненты живой клетки происходят и располагаются не в вакууме. Что является средой для всех этих взаимодействий? В любом учебнике биохимии как бы подразумевается, что, конечно, — это жидкая среда, конечно, что эти молекулы не витают независимо друг от друга, хотя предполагается, что они всего-навсего диффундируют в водной среде, и не просто в некой абстрактной воде — среди неисчислимых молекул H2O. Но на наш взгляд, молекулы воды и сама по себе вода (как тонко структурированная субстанция) играет важнейшую роль в процессах, происходящих в живой клетке, и, вполне возможно, является главным рецептором того, что происходит во внешней среде.
В настоящее время показано, что вода живой и мертвой клетки неодинаковы. По данным многих авторов, лишь от одной четверти до трети клеточной воды обладает той же подвижностью, что «обычная» вода. Остальная ее часть малоподвижна, как говорят, «структурирована». Таких данных за последние годы становится все больше, и они заставляют пересмотреть многие устоявшиеся представления об организации клеточной цитоплазмы. Выясняется, что цитоплазма — это не некий раствор, компоненты которого взаимодействуют друг с другом при случайных столкновениях. Ее можно сравнить с желе, которое начинает «дрожать» в ответ на внешние воздействия. Но и такое сравнение очень условно, потому что цитоплазма пронизана многочисленными «порами», по которым идут организованные потоки метаболитов к местам их переработки. Благодаря такому строению клетка работает как единое целое: сигналы из одной ее части немедленно передаются во все остальные.
Кластеры воды обладают совершенно удивительными свойствами с точки зрения их химической активности, точнее сказать их каталитической активности, потому что химически эта молекула обладает чрезвычайно низкой активностью, но в то же время она может катализировать массу разнообразных реакций. Эта молекула способна, по-видимому, выступать в роли трансформатора энергии. В частности, она может выступать в роли трансформатора низкочастотных радиоволн в высокочастотные колебания, вплоть до колебаний, которые способны вызывать электронные возбуждения.
Существуют достаточно убедительные свидетельства в пользу того, что в жидкой воде присутствуют весьма устойчивые полимерные структуры. Но само по себе наличие подобных структур не может объяснить тех явлений, которые ассоциируются со свойствами воды как приемника, хранителя, транслятора, а, быть может, и преобразователя биологически важной информации. Осуществление всех этих функций требует, чтобы вода обладала собственной активностью, чтобы она была в существенной степени неравновесной системой. Но ее неравновесность должна носить не статический, а динамический характер. Слабые физические воздействия на воду оставляют в ней след лишь в том случае, если либо сама вода движется (например, относительно магнита), либо если в ней протекают какие-либо внутренние направленные процессы. Более того, наличие следов слабых полевых воздействий на воду наиболее надежно может быть выявлено не при анализе «статических» свойств воды, а при исследовании характера протекающих в ней процессов (например, кристаллизации), или же ее влияния на объекты, в которых осуществляются нелинейные динамические процессы.
В. Л. Воейков утверждает, что информационные процессы в воде определяются главным образом теми процессами с участием свободных радикалов, которые инициируются, управляются и поддерживаются в ней различного рода воздействиями: слабые и сильные физические поля, изменение агрегатного состояния, при растворении/удалении любых соединений.
Активные формы кислорода в водной среде и живые организмы. АФК, появляющиеся при обмене веществ в живых системах, и потребление их извне традиционно считаются серьезным патогенным фактором. С другой стороны, быстро растет число работ, посвященных универсальной биорегуляторной роли АФК в нормальной физиологии. Однако физико-химические механизмы, обеспечивающие благотворное, а не деструктивное действие АФК остаются пока неясными. Ранее мы высказали предположение, что биорегуляторная роль АФК обусловлена тем, что в ходе реакций с их участием образуются продукты в электронно-возбужденном состоянии, и уже эти порции энергии высокой плотности могут не только использоваться в качестве энергии активации для протекания широкого круга биохимических процессов, а благодаря ритмичности протекания таких процессов они могут выступать как ритмоводители. Особое значение имеет то, что все процессы с участием АФК осуществляются в водной среде, а сама вода представляет собой один из источников АФК. АФК появляются в воде при воздействии на нее слышимого звука, замораживания-оттаивания и др.; воду может непосредственно окислять синглетный кислород. Благодаря особенностям реакций с участием АФК за их ходом можно следить с использованием высоко чувствительных детекторов фотонов. При исследовании широкого спектра водных систем мы обнаружили, что все изученные воды — химически чистая, вода из природных источников, вода, обработанная физическими полями, водопроводная вода, водные растворы, в которых протекают биохимические реакции — могут спонтанно или индуцировано излучать фотоны. Характер излучения вод, их изменение в процессе хранения сильно отличаются для вод различного происхождения. Обнаружены корреляции между характером излучения воды и ее биологической активностью. Интенсивность и характер излучения зависят от контакта воды с кислородом воздуха. Особый интерес представляет обнаруженное явление постепенного спонтанного увеличения излучательной способности природных вод из артезианских источников при их контакте с воздухом. В определенном смысле можно утверждать, что природная вода обладает элементарной способностью к «дыханию» — за счет кислород-зависимого самоокисления она может накапливать энергию, доступную для выполнения химической работы и поддержания неравновесной структуры воды. С другой стороны, многие воды, считающиеся питьевыми, не только не способны к «дыханию», но и подавляют его при смешивании с активными водами. В докладе обсуждаются возможные механизмы этого процесса и его биологическая значимость.
Заключение. Исследователи отмечают, что проверку сделанных оценок роли процессов радикальной диссоциации воды в генерации кислорода, в снабжении почв связанным азотом, в пополнении запасов углеводородов можно вести по многим направлениям. Для этого, прежде всего, необходимы экспериментальные исследования характеристик механохимического разложения воды в более широком диапазоне температур и давлений. Необходимо также изучение процессов связывания азота и углерода с радикалами воды в природных условиях.
Однако и на данном уровне знаний, учет действия механохимического процесса диссоциации жидкой воды оказался весьма перспективным. Гипотеза о возможности распада жидкой воды на радикалы позволила согласовать ранее разрозненные данные многочисленных опытов. Она позволяет объяснить с единой точки зрения многие разнообразные явления, наблюдаемые при активации воды разными способами. Эта гипотеза позволила также приблизиться к пониманию внутренних причин целой гаммы явлений, которые в природе ответственны за генерацию H2O2, конкретизировать механизм возникновения и поддержания кислородной атмосферы.
Многие из приведенных оценок, возможно, в дальнейшем будут исправлены по мере появления новых данных. Однако, гипотеза механохимической диссоциации жидкой воды позволяет с единой точки зрения и с использованием конкретных деталей обсудить весьма широкий круг земных проблем, интересующих в настоящее время многих. Это становится ясным, когда через призму этой гипотезы рассматривается и так называемый «экологический» аспект следствий происходящей в природе радикальной диссоциации воды. Радикалы воды в атмосфере и гидросфере активно участвуют в процессах нейтрализации сернистых газов, разложении хлор/фторуглеродов (т. е. фреонов), в коррозии металлов, в окислении органических остатков и, вообще, в процессах, которые принято называть частью механизма самоочистки природы. Изучение этих процессов должно быть важно для определения способности природных вод к самоочистке и демпфированию резких изменений состояния биосферы Земли.
Библиография
Вакс В. Л., Домрачев Г. А., Родыгин Ю. Л., Селивановский Д. А., Спивак Е. В. Диссоциация воды под действием СВЧ излучения//Изв. ВУЗов. Радиофизика. 1994. Т.37. № 1
Воейков В. Л., Решетов П. Д., Набиев И. Р. и др. Физико-химические методы изучения биополимеров и низкомолекулярных биорегуляторов/Под ред. акад. В. Т. Иванова. М., 1992
Воейков В. Л. Физико-химические и биофизические обоснования структурно-энергетической специфичности живых организмов, обеспечивающей их высокую чувствительность к низко интенсивным факторам внешней среды. М., 1997
Воейков В. Л. Особенности протекания процессов с участием активных форм кислорода в водных системах, обеспечивающие их вероятную роль рецепторов и усилителей влияния низко интенсивных факторов среды на биологические системы. М., 1999
Воейков В. Л., Колдунов В. В., Кононов Д. С. Длительные колебания хемилюминесценции в ходе амино-карбонильной реакции в водных растворах//Журнал физической химии. 2001 Т. 75. № 9
Воейков В. Л. Благотворная роль активных форм кислорода//Российский журнал гастроэнтерологии, гепатологии, колопроктологии. 2001. Т. XI. № 4
Домрачев Г. А., Родыгин Ю. Л., Селивановский Д. А. Механохимически активированное разложение воды в жидкой фазе//ДАН. 1993. Т. 329. № 2
Домрачев Г. А., Родыгин Ю. Л., Селивановский Д. А., Стунжас П. А. Об одном из механизмов генерации пероксида водорода в океане/Химия морей и океанов. М., 1995
Домрачев Г. А., Селивановский Д. А., Родыгин Ю. Л., Диденкулов И. Н. Потери энергии звука при сонолизе воды//ЖФХ. 1998. Т. 72. № 2
Домрачев Г. А., Родыгин Ю. Л., Селивановский Д. А. Роль звука и жидкой воды как динамически нестабильной полимерной системы в механохимически активированных процессах продуцирования кислорода в условиях Земли//ЖФХ. 1992. Т. 66. № 3
Зенин С. В. Возникновение ориентационных полей в водных растворах//ЖФХ. 1994. Т. 68. № 3
Насонов Д. Н. Некоторые вопросы морфологии и физиологии клеток. Избранные труды. М.; Л., 1963
Тема № 277
Эфир 06.08.2003
Хронометраж 49:00
