загрузка...

Динамическая нестабильность воды

  • 16.06.2010 / Просмотров: 11056
    //Тэги: вода   Гордон   климат  

    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.

загрузка...







загрузка...

Для хранения и проигрывания видео используется сторонний видеохостинг, в основном rutube.ru. Поэтому администрация сайта не может контролировать скорость его работы и рекламу в видео. Если у вас тормозит онлайн-видео, нажмите паузу, дождитесь, пока серая полоска загрузки содержимого уедет на некоторое расстояние вправо, после чего нажмите "старт". У вас начнётся проигрывание уже скачанного куска видео. Подробнее

Если вам пишется, что видео заблокировано, кликните по ролику - вы попадёте на сайт видеохостинга, где сможете посмотреть этот же ролик. Если вам пишется что ролик удалён, напишите нам в комментариях об этом.


Расшифровка передачи


Александр Гордон. Я попросил бы вас прежде, чем
вы начнёте, дать определение замечательному терми-
ну – «полимер».
Владимир Воейков. Я могу говорить о биополиме-
рах, естественно, потому, что я всё-таки являюсь био-
логом. Определение очень простое. Это молекула, со-
стоящая из большого числа однородных кирпичиков.
Они могут быть одинаковыми, они могут быть сходны-
ми, относящимися к одному классу соединений, но вся
проблема заключается в том, что количество их долж-
но превышать определённое число, тогда это называ-
ется полимером. Вот если говорить о полимерах, со-
стоящих из аминокислот, то уже 4-5 аминокислот – это
полимер, называется пептид. А в нашей науке, в био-
органической химии принято считать, что белок начи-
нается примерно с 50 аминокислот, соединённых в це-
почку. Значит, молекула полимера – это много звеньев,
которые сходны, так или иначе, друг с другом.
Александр Гордон. Теперь остаётся выяснить, и я надеюсь, что вы
это сделаете, каким образом всем известная формула
молекулы воды Н2О, может представлять из себя по-
лимер.
Дмитрий Селивановский. Дело в том, что вода-то
находится всегда в конденсированном состоянии, в
жидкой фазе, мы об этой воде и будем говорить. Давно
уже выяснено, что вообще-то между молекулами воды
всегда есть некие, её структурирующие связи.
Владимир Воейков. У нас даже есть картинка.
Дмитрий Селивановский. Да, и вот это свойство (структурированность во-
ды) в каком-то смысле не учитывалось в физических
процессах и в химических тоже. Мой учитель Георгий
Алексеевич Домрачев выдвинул идею о полимеропо-
добности воды, и я считаю, что он, конечно же, сде-
лал очень большой шаг, когда сопоставил свойства во-
ды и свойства полимера. Полимеры – очень сложные
системы. Когда мы делаем эти полимеры здесь на Зе-
мле, то они оказываются даже избыточно сложными
для устойчивого существования в условиях Земли, т.е.
в условиях 300 Кельвинов. Они, как правило, после из-
готовления сразу начинают деструироваться, то есть
в них необратимо ломаются крепкие связи: углерод –
углерод, углерод – водород. Мы и сами это видим, ко-
гда, например, полимерная плёнка служит всего один
сезон, после этого она мутнеет, становится неэластич-
ной. Очень многие изоляторы из полимеров под дей-
ствием стрикционных электромагнитных сил тоже по-
степенно разрушаются. Или, например, хотя бы поли-
мерные подошвы – они довольно часто рассыпаются
буквально в прах.
При этом никаких нет таких уж сильных воздействий
на эти полимеры. Уровни протекающих энергий неве-
лики, они несопоставимо меньше, чем нужно для раз-
рушения химических связей в полимерах. И, тем не
менее, происходит химическая деструкция полимеров.
Ну, например, любая сварка какого-либо полимера или
переплавление полимера приводит к тому, что часть
его вещества деструируется. Или, если полимер рас-
плавить и продавить через тонкие отверстия, чтобы со-
здать полимерные нити, то эти полимерные нити будут
иметь уже гораздо более низкое качество, чем толь-
ко что синтезированный полимер. Всегда при этом до-
вольно большое количество вещества полимера ухо-
дит в «огрызки», которые уже не имеют тех свойств,
которые имели исходные полимеры.
Но мы немного отвлеклись. Хотелось бы поговорить
о том, как мы вообще к этой проблеме (полимеропо-
добности воды) подошли. Каждый из нас это сделал
по-своему…
Александр Гордон. Да, да, пожалуйста. Я хотел сказать, что это же
телевизионная программа, у неё есть свои законы. На-
до дать затравку, чтобы смотрели.
Владимир Воейков. Тогда я к тому определению «полимера», кото-
рое просто из учебника, хотел бы чуть-чуть добавить, с
тем чтобы связать эти две вещи: биополимеры, поли-
меры, полученные химическим синтезом, о которых го-
ворил Дмитрий, и вода, которая полимерна, что пора-
зительно, и об этом, собственно, дальше пойдёт речь.
Потому что, когда мы говорили, что даже полимеры
рассыпаются от механических воздействий, это в ка-
ком-то смысле странно. По крайней мере, мои колле-
ги-биологи не очень-то над этим задумываются.
Почему странно? Потому что полимеры, по опреде-
лению, это молекулы, в которых атомы связаны проч-
ными, так называемыми, ковалентными связями. И
чтобы порвать эту связь, необходимо приложить то,
что иногда называют энергией высокой плотности. На-
пример, для того чтобы эта связь возбудилась и разо-
рвалась, она должна поглотить квант ультрафиолета.
И вот, когда такой полимер начинает рваться под
действием просто механических воздействий, охла-
ждения, нагревания, это выглядит непривычным. Ме-
жду прочим, биологи очень часто встречаются с тем,
что полимеры рвутся. Возьмём, например, наши лю-
бимые молекулы ДНК. Это гигантская молекула. И ко-
гда выделяют молекулы ДНК, то стараются с ними ра-
ботать чрезвычайно нежно. Нельзя даже палочкой ин-
тенсивно болтать суспензию этих самых ДНК, потому
что она будет рваться на фрагменты. Но редко кто за-
думывается над тем, что разрыв происходит по так на-
зываемой валентной связи. Если взять не длинную мо-
лекулу, а её маленький фрагмент, состоящий…
Дмитрий Селивановский. Но там же других и нет связей.
Владимир Воейков. Да, там других просто нет, вот такой полимер.
Если взять маленький её фрагмент, состоящий из двух,
трех, четырех кирпичиков, то никакой палочкой его уже
не порвёшь.
Дмитрий Селивановский. Надо ещё учесть и то, что все эти молекулы ДНК
обязательно находятся в воде, это тоже очень важно.
Владимир Воейков. Когда мы говорим о воде, то вот как раз кар-
тинка, которая говорит о стандартном представлении,
учебниковом представлении о том, как устроена моле-
кула воды. Синий шар – это атом кислорода, два жёл-
теньких шарика – это атомы водорода. И чем эта жид-
кость отличается от других самых разнообразных жид-
костей, и Дмитрий об этом более подробно будет го-
ворить, это тем, что эта молекула на самом деле не
уравновешена полностью. Вот там видны знаки «ми-
нус» и знаки «плюс». На атоме кислорода есть немнож-
ко отрицательного заряда. На атоме водорода есть не-
множко положительного заряда. Этих молекул много,
и отрицательный заряд атома кислорода притягива-
ет положительный заряд атома водорода. Образует-
ся связь. Эта связь очень слабенькая, так называемая
водородная связь. Её энергия в десятки раз меньше,
чем связь между атомом кислорода и атомом водоро-
да в одной молекуле воды. И поэтому, основываясь на
представлениях из учебника, думать, что воду можно
рассматривать как содержащую полимеры, до их ра-
бот казалось совершенно диким. Связи такие слабень-
кие, что там, казалось бы, нечего говорить о полиме-
ризации. А вот дальше уже начинается история иссле-
дования воды как полимера.
Дмитрий Селивановский. Это, конечно же, была очень светлая мысль.
Покажите вторую картинку. Смотрите: многие свойства
воды претерпевают, во всяком случае, основные свой-
ства, претерпевают экстремумы температурных харак-
теристик, то есть они проходят через минимум или мак-
симум. Известная нам плотность воды, например, при
плюс четырех градусах будет наибольшей. Это, види-
мо, следствие того, что когда кристалл льда при тая-
нии разрушается и уплотняется, то это уплотнение ещё
может долго продолжаться при увеличении темпера-
туры. Но одновременно начинает работать ещё меха-
низм, растаскивающий такие фрагменты, тепловой ме-
ханизм. И в конце концов, плотность воды, пройдя че-
рез максимум, начинается спадать.
Александр Гордон. У меня вопрос на понимание. А если мы охла-
ждаем воду, не проходя отметку замерзания, скажем,
от 6 градусов до 4. Плотность такой воды будет мень-
ше, чем плотность воды, которая получилась в резуль-
тате таяния льда?
Дмитрий Селивановский. Нет, эта характеристика и в ту и в другую сто-
рону проходит через этот максимум, и в ней нет гисте-
резиса… Где-то здесь при 4 градусах уже начинают
складываться мощные структуры из водяных молекул.
Это гелеподобные структуры, имеющие даже сдвиго-
вую упругость, некие такие студнеподобные образова-
ния.
Вот ещё одна характеристика интересная, посмо-
трите, – это теплоёмкость, которая отмечена красной
линией. Минимум теплоёмкости воды как раз там, где
мы все – теплокровные – располагаемся. И падающая
ветвь от нуля до 38 градусов, она, вообще-то, свой-
ственна только твёрдым телам. То есть вода ещё не-
которое время по этому параметру сохраняет свойства
твёрдых тел, и только после 38-40 градусов начинает
быть так называемой обычной жидкостью.
Здесь я ещё привёл скорость звука – это зелёная
кривая, она характеризует упругие свойства воды. Ну
и электрические свойства воды – характеристика элек-
тронной поляризуемости. Все эти характеристики име-
ют экстремумы температурных свойств…Так вот, всё
это формально страшно похоже на то, как ведут себя
температурные характеристики полимеров. Они тоже
имеют экстремумы многих свойств. Вот эта-то анало-
гия, видимо, и навела (так, по крайней мере, он сам
мне и рассказывал – Георгий Алексеевич Домрачев)
на мысль о том, что вода полимероподобна. К ней
надо относиться как к полимеру. А про полимеры-то
известно было уже в своё время, что они неустойчи-
вы при механических воздействиях. Вообще, это неко-
гда была проблема: что же такое мы наделали – та-
кие прочные вещества, что их и кислоты не берут. Так
вот: замечательные физхимики Каргин, Слонимский –
они ввели такое понятие – механохимия полимеров.
Они доказали, что полимеры – сложные структуры, при
механическом воздействии закономерно кроме некой
перестройки конформации, своих сложных молекул
– например, при их растяжении молекулярные клуб-
ки растягиваются в спирали, в полимерах происходит
хладотечение, т.е. молекулярные фрагменты полиме-
ров рывками могут сдвигаться относительно друг дру-
га, что кроме этого изменения формы таких макромо-
лекул, в них обязательно и закономерно рвутся и хими-
ческие связи. Довольно-таки прочные химические свя-
зи.
Мы предположили, что, по сути дела, в воде про-
исходит нечто подобное. Но если в полимерах проис-
ходит деструкция, т.е. необратимое разрушение моле-
кул, то в воде – это диссоциация. Молекулы воды рвут-
ся… Теперь покажите первую картинку, если можно.
Они рвутся вот по какой схеме. Они рвутся так, что
образуются радикалы. Радикалы в данном случае –
это нейтральные частицы, электрически нейтральные,
но страшно химически активные: гидроксил – радика-
лы и атомы водорода…
Владимир Воейков. Дмитрий, я на секунду прерву, потому что мне
всё-таки приходится много в разных местах рассказы-
вать, чем отличаются радикалы от молекул. А посколь-
ку не все в нашей аудитории кончали химфаки…
Дмитрий Селивановский. Мне, в общем, тоже приходится рассказывать.
Владимир Воейков. Пожалуйста, чем тогда радикалы отличаются от
молекулы надо сказать.
Дмитрий Селивановский. Ну, это может потом, а сейчас…. Здесь нарисо-
вана, конечно же, схема. На самом деле всё происхо-
дит, конечно же, гораздо сложнее. Эта сложность от-
ражена пометочкой «аква» – это значит, что всё это
происходит в воде, что они там запечатаны в каких-то
структурах, что и молекулы воды и получающиеся ра-
дикалы живут как бы в некоторых клетках, образован-
ных из молекул воды же…Мы вообще-то довольно ма-
ло знаем о свойствах этих структурных водных обра-
зований. Знаем только, что эти образования, видимо,
достаточно большие и рыхлые при сравнительно низ-
ких температурах – около нуля. И что где-то к граду-
сам 60-70 они уже становятся гораздо меньше по раз-
мерам и несколько более плотными, чем те, которые
получаются сразу после таяния льда.
Что же здесь является в некотором смысле парадок-
сальным? Дело в том, что отдельная молекула воды,
не взаимодействующая с другими молекулами воды,
например, в мономолекулярном паре, весьма прочна.
Для того чтобы её порвать, нужно приложить к ней до-
вольно-таки приличную энергию – 5,2 электрон/вольт.
Это соответствует ультрафиолету, как Володя говорил,
это 50 тысяч градусов по другой шкале, в другом фор-
мате. Вот так… И кажется странным, чтобы такой про-
цесс диссоциации воды всё-таки шёл при заведомо
меньших плотностях энергии.
Тем не менее, оказалось, и мы показали это в своих
опытах, что такой процесс диссоциации воды всё-таки
идёт.
Александр Гордон. То есть вода диссоциирует.
Дмитрий Селивановский. Да…Модели этого явления – такой модели, ко-
торую, как это считается, нужно бы иметь, и по которой
можно было бы всё рассчитать – у нас, конечно же, нет.
Но подход к воде как к полимероподобной среде для
нас сразу же внёс ясность в некоторые процессы. Мы
смогли сказать заранее, как, например, будет зависеть
диссоциация воды от температуры, как она будет за-
висеть от концентрации растворённых в воде веществ.
Как она будет зависеть от усилий, прилагаемых к этой
воде, допустим, при её перемешивании или, например,
при пропускании звука. Мы многие типы воздействия
на воду перепробовали.
После того как вода продиссоциирует, сразу же на-
чинают протекать реакции рекомбинации. Ну, и есте-
ственно, основная часть радикалов рекомбинирует,
сваливаясь вновь в воду. Видите, там стрелки туда и
обратно. Т.е. при диссоциации некоторых молекул во-
ды появляются радикалы, и в чистой воде, где нет для
них акцепторов, они в основном образуют вновь во-
ду. Так это, в основном, и происходит, в 90% случа-
ев – именно снова воду. Но случаются и другие со-
бытия: находят друг друга атомы Н, и в воде возника-
ет растворённый молекулярный водород. Это, по сути,
инертный газ в наших условиях. При этом излучается
квант света уже в фиолетовой области. Между собой
рекомбинирует и гидроксил-радикал, и получается пе-
роксид водорода. Он тут помечен красным вот почему.
Этот процесс, вообще, исследовать довольно сложно,
потому что уж очень малы концентрации этих радика-
лов, т.е. мала эффективность этого процесса диссо-
циации воды. Поэтому нужны довольно-таки высокие
чувствительности измерений. Можно, конечно же, из-
мерять и выход молекулярного водорода. И в некото-
рых опытах так и делают, когда достаточно интенсивно
на воду чем-нибудь воздействуют. Либо сильным зву-
ком, либо её интенсивно перемешивают в специаль-
ных растворах. И есть такие результаты, где измеря-
ют выход водорода после воздействия на воду. Но это
уже косвенное свидетельство диссоциации воды: по-
явились из воды радикалы, и потом уже появился во-
дород. Пока, все же, методики определения водорода
не очень чувствительны.
А вот появление перекиси водорода в воде, как ока-
залось, можно измерять с очень высокой чувствитель-
ностью. В общем, мы разогнали некую методику, пора-
ботали с ней, и единообразным образом, измеряя по-
явление перекиси водорода, все свои опыты и прово-
дили. Мы воздействовали на воду так или иначе, а из-
меряли всегда, насколько в ней увеличивается содер-
жание пероксида водорода – перекиси водорода.
А дело-то в том, что в природе перекись водорода
всегда в воде есть, во всех водах, и в океане, и вместе
с водами дождей она поступает, и когда тает лёд, – в
талой воде много перекиси водорода. И конечно же, до
нас появление перекиси водорода в этих случаях объ-
ясняли. Как правило, процессами, в которых макропо-
токов энергии хватало для диссоциации молекул во-
ды. Например, фотолизом, электрическими разряда-
ми, локальным повышением температуры.
Например, очень есть интересное явление – так на-
зываемый сонолиз и сопровождающая его сонолюми-
несценция. То есть в воду посылают звук, и через неко-
торое время в этой воде образуется перекись водоро-
да. При этом плотность энергии звука на 5, 6 или даже
7 порядков ниже, чем нужно для того, чтобы порвать
связь Н-ОН. Тем не менее, эффект есть, и перекись
водорода возникает. Объясняли и объясняют и до сих
пор диссоциацию воды при действии звука кавитаци-
ей, схлопыванием пузырьков, высокими температура-
ми. Мы показали, что это не так, что диссоциация про-
исходит в жидкой воде.
Опыты наши были достаточно тщательные, потому
что перекись – это же неустойчивое соединение. Тем
более что и образовывалось её очень мало. Когда мы
вышли на уровни содержания перекиси менее 10-9 мо-
ля на литр, то есть менее чем миллиардные доли моля
на литр, то выяснилось, что все, вообще-то, очень гряз-
ное. И вода очень грязная, и она сама содержит доста-
точно катализаторов разложения перекиси. И все со-
суды выделяют из стенок вещества, разлагающие по-
лучающуюся перекись водорода…Эффект диссоциа-
ции воды поэтому был нами зафиксирован не сразу. В
общем – была некая проблема, но мы её преодолели
и измерили очень тщательно во многих случаях выход
перекиси водорода при разных воздействиях на воду.
Вот, например… Покажите ещё один слайд, следу-
ющий.
Здесь результаты наших опытов по переконденса-
ции воды. Каждый кружочек – это опыт, довольно дли-
тельный, когда воду испаряли при какой-то температу-
ре и конденсировали при 2 градусах Цельсия. В кон-
денсате измеряли концентрацию перекиси водорода.
Этот результат хорошо укладывается в нашу гипоте-
зу. То есть эффективность процесса диссоциации во-
ды при испарении-конденсации уменьшается при по-
вышении температуры испарения воды. Кстати, этот
результат можно приложить к глобальным оценкам то-
го, что происходит на Земле.
Сейчас, быть может, Володя расскажет немного про
то, такие формы имеют по современным представле-
ниям эти объединения молекул воды – ассоциаты…
Владимир Воейков. всё-таки я бы хотел пояснить, если мы вернём-
ся назад к радикалам, насколько это важные и суще-
ственные вещи. Все молекулы, которые нас окружают,
имеют чётное число электронов. Их может быть 2, их
может быть 4, 6, 8 на тех внешних оболочках, с помо-
щью которых эти молекулы взаимодействуют с други-
ми. А радикалы – это частицы, у которых нечётное чи-
сло электронов, на один меньше или на один больше,
то есть либо у молекулы оторвался один, либо к ней
присоединился откуда-то ещё электрон. И эти части-
цы, радикалы, всегда стремятся заполнить свою обо-
лочку до чётного числа, то есть откуда-то взять ещё
один дополнительный электрон. Именно поэтому вода
– это устойчивая структура, а вот разорванная на две
половинки Н и ОН, где у атома водорода один электрон
и у второго остатка, гидроксил-радикала, тоже один
электрон, это две очень энергичные частицы.
Дмитрий Селивановский. На внешней орбите.
Владимир Воейков. На внешней, естественно, орбитали. Здесь
речь идёт о химии. И даже тот сам по себе факт, что
если они рекомбинируют обратно, то есть воду порва-
ли на атом водорода и гидроксил, а потом они соеди-
нились вновь, и снова получилась вода, имеет не три-
виальные следствия. Результат очень существенный,
очень важный. Потому что порвали эту воду с помо-
щью звука, а когда она соединилась назад, то вспых-
нул микроимпульс…
Александр Гордон. Испустился свет.
Владимир Воейков. Да, испустился свет. Конечно, он может не вы-
светиться, но возник импульс энергии, который несо-
поставим по своей плотности с тем самым звуком, ко-
торым вода была разорвана. В этом смысле вода вы-
ступает в роли трансформатора энергии. Энергию низ-
кой плотности, так сказать, тепло, которое нас окружа-
ет, она, вообще говоря, превращает в свет.
Александр Гордон. А каков механизм этого? Резонансный меха-
низм?
Владимир Воейков. Чтобы ответить, надо снова вернуться к тому,
почему звук может рвать воду. Из всех мыслимых воз-
можностей это может происходить, только если в во-
де есть примерные структуры, как показано на этой
картинке. На этой картинке показаны представления
многих расчётчиков, квантовых химиков, которые, ко-
гда они стали уже исходить из того, что в воде есть
полимеры, предложили, как они могут выглядеть. Это
последних лет работы. Вот, обратите внимание, какие,
так сказать, замечательные по своей красоте получа-
ются структуры.
Дмитрий Селивановский. Надо всё-таки сказать ещё раз, что это умозри-
тельные структуры.
Владимир Воейков. Так я же сказал, что это расчётные вещи.
Александр Гордон. А что мешает наблюдению этих структур?
Владимир Воейков. А наблюдению этих структур мешает следую-
щее. Во-первых, судя по всему, в воде разнообразных
полимеров очень много. То есть, если бы был какой-то
один класс полимеров, тогда можно было бы их выде-
лить, посмотреть. А в воде наверняка представлены
самые разные формы. Скажем, по одной из английских
работ, здесь наверху три таких сравнительно неболь-
ших кластера, и эти кластеры могут объединяться друг
с другом, или разъединяться друг от друга и давать са-
мые разнообразные полимеры. Химики, которые стре-
мятся что-то определённое выделить, всё-таки хотят,
чтобы данного вещества было достаточно много и оно
было однородным. И более того, чтобы оно не было
таким лабильным. То есть в процессе…
Александр Гордон. То есть, чтобы время его существования было
достаточным.
Дмитрий Селивановский. Здесь можно много чего сказать. Но ты упомя-
нул время существования – это действительно инте-
ресно. Вообще-то, считается, что продукты диссоциа-
ции воды – эти радикалы Н и ОН в чистой воде, где ни-
чего другого нет, что они очень короткоживущие, пото-
му что они, действительно, очень активные и диффун-
дируют довольно быстро. Но оказалось, что они до-
вольно долго могут существовать в воде. А долго они
могут существовать, только если они как бы запечата-
ны в «клетках» структур воды. Их долгое существова-
ние – это хорошее свидетельство того, что в воде есть
структуры, есть такие клетки, такие клатраты, такие пе-
щерки, составленные из молекул воды, в которых ра-
дикалы сохраняются буквально часами. Этот резуль-
тат опытов был для нас совершенно удивительным и
приятным… Например, талая вода продолжает гене-
рировать перекись водорода в течение суток, по сути
дела. То есть там…
Александр Гордон. То есть радикалы там присутствуют…
Дмитрий Селивановский. Да, они там, образовавшись, остаются отча-
сти как бы временно запечатанными, и они ещё ка-
кое-то время находят друг друга, и из-за этого концен-
трация перекиси ещё долго нарастает после растаива-
ния льда.
Владимир Воейков. Сегодня уже можно даже найти объяснение,
почему. Всё здесь оказывается взаимосвязанным. На-
личие структур в воде, полимерных структур, даёт
возможность образованию радикалов. И то же самое
наличие структур даёт возможность их длительного
времени жизни. Почему? Потому что радикал может,
условно говоря, прилипать к этой структуре. И тогда
тот самый электрон, который стремится получить отку-
да-то дополнительный электрон, он как бы размазыва-
ется по всей этой структуре. Этот электрон попадает в
общую электронную систему этого кластера, и поэтому
вероятность оторвать или отдать такой электрон уже
существенно снижается. Уменьшение этой вероятно-
сти, это, соответственно, увеличение времени жизни.
Дмитрий Селивановский. А то все ищут, ищут, а найти не могут…
Владимир Воейков. Да, совершенно верно. А это увеличение линии
жизни.
Дмитрий Селивановский. Я тут сделал прикидки и получил, что каждый
акт таяния льда приводит к тому, что одна триллион-
ная молекула, т.е. из триллиона молекул льда при тая-
нии, одна молекула воды диссоциирует. Действитель-
но, почти неуловимые эффекты, совсем небольшие.
Но в глобальном смысле следствия оказываются до-
вольно велики, и результаты оценок приводят к очень
к красивым результатам.
Владимир Воейков. Поскольку у нас время ограничено, давай пере-
ходить к следствиям.
Дмитрий Селивановский. Есть ещё время, и мне бы хотелось, чтобы все
мы как-то по-новому глянули на эти процессы. У меня
есть некая заготовка – клип. Может быть, сейчас его
посмотрим, и я прокомментирую чуть-чуть.
Александр Гордон. Пожалуйста. Если мы готовы, давайте дадим.
Пока готовят клип, у меня ещё один вопрос, на который
вы можете потом ответить. Почему вода расширяется
при замерзании?
Дмитрий Селивановский. Предполагается, что весь лёд на Земле имеет
одну и ту же структуру – 1Н, эта структура подобна гра-
фиту. Вообще-то эта структура более рыхлая, чем во-
да, и при её организации происходит увеличение объ-
ёма вещества, а при таянии существует возможность
уплотнения, и объём уменьшается…
Александр Гордон. Вот пошёл клип.
Дмитрий Селивановский. Смотрите, тут в облаках всё время происходят
акты испарения и конденсация воды. И всякий раз это
сопровождается диссоциацией воды. А здесь внутрен-
ние волны бегут в атмосфере. И это сопровождается
образованием вертикальных колонн облаков. Здесь,
при переконденсации воды в атмосфере диссоциация
воды происходит слабее – уже 1 молекула из 1015,
претерпевших переконденсацию диссоциирует при ка-
ждом акте. Но всё равно процессы так интенсивны,
что в таких ситуациях, поскольку эта переконденсация
происходит неоднократно, заготавливается много пе-
рекиси водорода. В конечном итоге в воде дождей её
может накопиться до 10-4 моля на литр.
И здесь в потоках воды, в водопадах, в любой реке, в
любом ручье, в ключах всё время происходит диссоци-
ация воды. Раньше не предполагалось, что это след-
ствия действия одного и того же механизма, это нельзя
было оценить заранее. А вот море, в нём тоже всё про-
низано процессами диссоциации воды. В море, в об-
щем-то, достаточно много перекиси водорода. В море
есть и свои механизмы образования перекиси. Однако
в основном в море перекись поступает с дождями. Пе-
рекись водорода – быстро распадающееся вещество,
и его присутствие означает, что его количество всё вре-
мя пополняется. Такой, оказывается, этот мир, в нём
из-за очень многих причин всё время генерируются ра-
дикалы из воды. И это страшно интересно: наличие ра-
дикалов приводит к тому, что, как оказалось, в приро-
де протекают реакции, осуществление которых ранее
не учитывалось. Например, утилизируется азот атмо-
сферы. А начало всему – это то, что перекись водоро-
да, распадаясь, даёт кислород. Причём наш расчёт по-
казывает, что этот кислород настолько быстро проду-
цируется… Вот, смотрите какая красотища, какая вол-
на…. Во всех этих движениях и трансформациях воды
всё время происходит диссоциация воды. Кстати, в пе-
не гребней волн она происходит на несколько поряд-
ков быстрее, чем, допустим, просто в волновых коле-
баниях воды.
Владимир Воейков. Ну и сколько же образуется кислорода?
Дмитрий Селивановский. В пене волн диссоциация протекает на несколь-
ко порядков эффетивней, чем при сонолизе. То есть
всякие мифы о Венере…
Владимир Воейков. Афродите…
Дмитрий Селивановский. …розовопенной, по-моему, что-то такое рацио-
нальное в себе содержат…
Александр Гордон. Так всё-таки, возвращаясь к вопросу, какое ко-
личество кислорода при этом образуется. Это может
повлиять на биогенную точку зрения образования на-
шей кислородной атмосферы?
Дмитрий Селивановский. Конечно. Биогенная гипотеза происхождения
кислородной атмосферы представляется вообще ма-
лосостоятельной.
Владимир Воейков. Да, если чуть-чуть ускорить наш процесс, то
имеет смысл сказать следующее. Как только есть жид-
кая вода, сразу, исходя из тех процессов, о которых
было сказано, идёт её распад. Как говорилось, в пене
идёт интенсивный распад воды, потому что вода там
формирует тонкие плёнки, и степень её структуриро-
ванности, полимерности много выше, чем в объёме.
Есть ещё один процесс, и они его изучали, – это филь-
трация. То есть громадное количество воды на Земле
фильтруется, фильтруется через очень тонкопористые
структуры. И при этом распад идёт очень эффективно.
Ведь распад воды тем более эффективен, чем более
вода связана.
Почему при фильтрации этот процесс идёт чрезвы-
чайно эффективно? Потому что стенки пор гидратиро-
ваны, и там очень много фактически полимерной во-
ды. А капиллярные силы эту воду рвут, и поэтому там
получается очень большой выход радикалов. А пере-
кись водорода, о которой говорил Дмитрий, выступа-
ет здесь как промежуточный продукт, потому что при-
рода имеет дело не с абсолютно химически чистой во-
дой, естественно, и абсолютно химически нейтральны-
ми сосудами, в которых эта вода находится. А она име-
ет дело именно с растворами, содержащими катализа-
торы, которые приводят практически к немедленному
разрушению перекиси водорода. Поэтому она и не на-
капливается в больших количествах. А на что она рас-
падается? Она распадается на кислород и воду тоже,
естественно.
И вот оценки этого говорят …
Дмитрий Селивановский. Вообще, когда эта идея о механохимической
диссоциации воды была сформулирована, нам сразу
стало ясно, что вот мы и нашли источник кислорода в
атмосфере. До этого практически единственным рас-
сматриваемым физическим источником был фотолиз
паров воды в верхних слоях атмосферы. Там действи-
тельно такой распад воды происходит, но уже давно
было ясно, что производительность этого процесса не-
велика…
Владимир Воейков. Ну поэтому никто и не принимал его во внима-
ние, все прекрасно знали…
Дмитрий Селивановский. На этом рисунке наши оценки… Вот фотолиз,
а вот испарение и конденсация, ось внизу даёт поряд-
ки величин. То есть испарение-конденсация дают ки-
слорода более чем на два порядка больше, примерно,
по сравнению с фотолизом. Кстати, весьма приличную
долю вносит замерзание-таяние, в общем-то, на уров-
не фотолиза. Очень эффективны падения капель до-
ждей, эти удары капель, и я хотел вам показать ещё по-
том клип под конец, если можно, это красиво. Просачи-
вание воды в почву тоже заметный механизм для дис-
социации воды в природе. При этом в такой уже мине-
ральной, по сути, воде формируются разнообразные
особые свойства, о чём сейчас и расскажет Володя. Ну
и океан в целом, его течения, волнения…
Мы оценили следствия этих процессов, т.е сколько
перекиси водорода появляется заново за год, а ведь
примерно столько же выделяется и кислорода в ре-
зультате распада этой перекиси, т.к. если столько-то
приходит перекиси, то столько же её и распадается. И
получается, что в нынешних условиях, с тем зеркалом
воды и с этой температурной обстановкой. Вернадский
вообще-то говорил, что температурная обстановка на
Земле этак 4 с половиной миллиарда лет не меняет-
ся, может быть, чуть трендирует, да и не трендирует, а
варьируется, дышит. Да, так вот, у нас получается, что
за несколько миллионов лет такую кислородную атмо-
сферу этот механизм может создать…
Александр Гордон. И поддерживать?
Дмитрий Селивановский. Естественно… Тут один из оппонентов нам сра-
зу сказал: как же так? куда кислород-то уходит излиш-
ний? почему кислород на таком уровне в атмосфере
поддерживается? Этот последний вопрос хорош: не
знаем пока, почему он поддерживается на существую-
щем уровне.
Александр Гордон. То есть, погодите. Если сегодня всё, что содер-
жит хлорофилл, с земной поверхности исчезнет, выру-
бят все леса, на что…
Дмитрий Селивановский. О-о, красивая и стандартная позиция оппонен-
тов. Но леса нам не только этим ценны…
Александр Гордон. Это я знаю, да. Но всё же – состав атмосферы
не изменится?
Владимир Воейков. Кардинальным образом он не изменится.
Дмитрий Селивановский. Вернадский писал: жизнь на планете «могла по-
явиться, как только температура, давление, химиче-
ская обстановка стали отвечать необходимым для жиз-
ни изучаемых нами организмов условиям».
Это означает, что в самом начале геологического
существования Земли сначала создалась эта оранже-
рея, то есть создался слой почвы, который можно бы-
ло назвать плодородным, потому что он был насы-
щен утилизированным азотом и многими другими не-
обходимыми добавками. Была кислородная атмосфе-
ра, был оторвавшийся слой озона – крыша этой оран-
жереи. И кто-то дунул, или что-то там произошло, и
жизнь как пожар…
Вернадский прекрасно доказал, что не могло быть
зарождения жизни в геологические времена существо-
вания Земли…
Владимир Воейков. Дмитрий, это немножко уже по моей части. всё-
таки Вернадский величайший учёный, но он творил…
Александр Гордон. Платон мне друг, но истина дороже.
Дмитрий Селивановский. Вернадский – это Вернадский.
Владимир Воейков. Совершенно верно. Никто не подвергает…
Александр Гордон. Какие у вас возражения, интересно?
Владимир Воейков. Возражений практически нет. Возражения толь-
ко к термину «думал…» …
Дмитрий Селивановский. Ну не надо, это же не о воде.
Владимир Воейков. Только к этому слову…
Александр Гордон. То есть вы хотите сказать, что в начале эволю-
ционного процесса на Земле сразу появились организ-
мы, которые были, по сути дела, адекватны сегодняш-
ним по потреблению кислорода.
Дмитрий Селивановский. Да, совершенно верно, могу ещё процитиро-
вать Вернадского: «На протяжении всех геологиче-
ских веков на Земле существовала жизнь, одинако-
вым образом отражавшаяся на химических процессах
в земной коре». Каково?
Владимир Воейков. Замечательно, всё совершенно правильно,
только это надо уточнить сейчас уже на совершенно
конкретных новых материалах, которые получены не
только вами. Тут следует сказать, что часто многие оп-
поненты говорят: «А, это единичные работы, никто дру-
гой такого больше не показал». На самом деле, по по-
воду того, что вода может диссоциировать с образо-
ванием водорода и кислорода, в последние годы по-
явились работы и абсолютно независимые. Например,
есть такой «Джорнел оф кемикл коммьюникейшнс», в
котором японцы в 98-м, потом в 99 году представили
работы чисто технологические, где они показали, что в
присутствии простейших катализаторов… Я свою точ-
ку зрения могу высказать?
Дмитрий Селивановский. Это ты про работы группы профессора Икеды?
И без ссылок на нас. А мы это же, практически, опубли-
ковали в 93 году…
Владимир Воейков. Печатайтесь на японском – и будут ссылки на
вас. Итак, они показали, что в присутствии простей-
ших катализаторов, окислов железа, марганца, меди,
просто перемешивание воды приводит к интенсивно-
му освобождению водорода. Их-то там интересовал
водород по совершенно понятным причинам, а не ки-
слород. К такому интенсивному освобождению, что в
принципе эту методику можно использовать для полу-
чения водорода. Понятное дело, что если из воды по-
лучается водород, то, извините, кислород тоже куда-то
должен деваться.
Дмитрий Селивановский. У них пока КПД получился как у паровоза при-
мерно. Но и то… Ну, у нас тоже получалось нечто вро-
де.
Владимир Воейков. Есть и другие работы, которые тоже гово-
рят о появлении кислорода в результате абиогенных
процессов. Например, движения материков. И отсю-
да чрезвычайно важное следствие. Следствие, просто
кардинально меняющее все наши представления о хо-
де биологической эволюции. Если кислород был в на-
чале, до того как появились оформленные организмы,
они всё-таки появились не мгновенно, я не большой
сторонник идеи креационизма о том, что сразу хлоп –
и всё было уже сформировано так, как мы сейчас на-
блюдаем. Так вот, если в начале был кислород, то, со-
ответственно, весь процесс, не эволюции, а назовём
её развитие системы организмов на земле, фактиче-
ски развитие биосферы, он, конечно, шёл совершенно
не по тем путям, которые сейчас пытаются описать.
Что касается анаэробов. Анаэробы есть и сейчас,
когда, слава тебе, господи, хватает кислорода в атмо-
сфере. Потом, что такое анаэроб – это, как правило,
микроорганизм, который погибает при уже чрезвычай-
но низких концентрациях кислорода в среде. И основ-
ную свою энергию получает за счёт окислительно-вос-
становительных процессов, связанных не с молеку-
лярным кислородом. Но у этого самого анаэроба есть
всегда ферменты, которые имеют дело с теми актив-
ными формами кислорода, которые всегда получают-
ся из воды, при диссоциации воды. Когда я познако-
мился с работами об абиогенной продукции кислоро-
да, естественно, заинтересовало меня то, что сейчас
в эволюционной теории очень много говорят об этих
чёрных курильщиках, белых курильщиках на дне оке-
анов, где существуют свои собственные чрезвычайно
богатые биосферы. Причём в этих биосферах живут
не только и не столько даже микроорганизмы, а живут
большие организмы, до 50 килограммов. И у этих боль-
ших животных есть кровь. А это вообще на дне океа-
нов, ещё при температурах в районе сотни и несколь-
ко больше градусов. И зоологи это изучают, а кровь-то
должна переносить кислород. Откуда там берётся та-
кое количество кислорода для того, чтобы эти живот-
ные могли фактически быть аэробами в этой глубине?
Вот ещё один из чрезвычайно важных моментов,
важных факторов. Когда мы говорим о биологическом
фотосинтезе как источнике кислорода, то опять же мы
выхватываем один только этап из всего жизненного ци-
кла растения. Растение – сначала семечко, оно не про-
изводит кислорода. Оно потребляет кислород. Между
прочим, растение это может развиваться в течение до-
статочно длительного времени без света. И вообще
без хлорофилла.
Дмитрий Селивановский. Вообще, когда растение взрослое, то по потре-
блению-производству кислорода по сути баланс нуле-
вой…
Владимир Воейков. Этиолированное растение не имеет хлорофил-
ла, тем не менее, оно растёт, это растение.
И потом растение погибает. Оно погибает, но оно
должно превратиться соответственно в гумус, что это
за процесс? Это процесс окисления, естественно, без
кислорода тления, гниения не происходит. И если све-
сти весь баланс, то, по большому счёту, окажется, что
фотосинтез – для растительных организмов – это от-
дача того, что они вберут на других этапах жизненного
цикла.
Александр Гордон. Ну всё, приговор экваториальным лесам уже
раздался.
Владимир Воейков. Нет, ни в коем случае, ни в коем случае. Потому
что, помимо всего прочего, есть ещё углекислый газ.
Вообще говоря, ведь мы имеем дело с биосферой, как
с громадным количеством взаимосвязанных циклов. И
если мы из биосферы извлекаем какой-то существен-
ный массивный кусок, то эти все циклы, которые долж-
ны быть сопряжены друг с другом, начинают идти враз-
нос. И когда они начинают идти вразнос, эти циклы,
это и приводит к катастрофам. Вот у вас тут были Ма-
линецкий, Курдюмов, они о подобных вещах говорили.
Другое дело, что со временем, когда-то, рано или позд-
но, через миллионы, может, лет снова всё устаканится.
Но мы-то живём сейчас. Нам бы не хотелось сейчас
попадать в катастрофы.
Александр Гордон. Поскольку мы живём сейчас, у меня вот какой
вопрос: если всё-таки увеличение средней температу-
ры планеты достигнет таких значений, что полярные
шапки растают, это каким-то образом скажется на со-
держании кислорода в атмосфере?
Дмитрий Селивановский. Может быть. Но ведь пока нет никаких доброт-
ных свидетельств тому, что потепление-то есть. Вот
другой вопрос, Александр. Если есть такой процесс
диссоциации воды, то есть кислород вырабатывается
с избытком, а потом сгорает наверху в термосфере, это
означает, что на Земле есть ещё дополнительный – к
ныне изучаемому – источник озона. Тогда оказывается
(и есть такие оценки), что вся идея опасности появле-
ния озонных дыр из-за нашей деятельности, из-за этих
пшикалок с фреонами, – она просто превращается в
детский страх…
Владимир Воейков. Я хотел бы вернуться к вопросу о том, что, воз-
можно, поддерживает этот самый 21 процент кисло-
рода. Мы говорили большую часть нашего времени о
том, как вода производит кислород. А сейчас я хотел
бы сказать о том, что вода на самом деле и потребля-
ет кислород. То есть вода – это такая потрясающая со-
вершенно по своей уникальности субстанция, которая
является и источником кислорода, и потребителем ки-
слорода. Что такое потребляет кислород? Это значит,
что вода окисляется.
Александр Гордон. То есть горит.
Владимир Воейков. То есть горит, совершенно верно. И здесь на
этой картинке представлен пример очень свежей аме-
риканской работы, сделано крупнейшее открытие в
области иммунологии. Казалось бы, какая, так сказать,
связь между тем, о чём мы говорили сейчас и имму-
нологией? Такая красивая синяя красно-жёлтая струк-
тура на рисунке – это антитело. Антитела, как извест-
но, в иммунной системе вырабатываются соответству-
ющими клетками. И функция их, как всем хорошо из-
вестно, связывать антигены, то есть чужеродные ча-
стицы, а дальше сложный цикл включается, сложный
процесс устранения этих чужеродных частиц. Откры-
тие заключалось в том, что антитела, помимо всего
прочего, являются катализаторами. И катализ они осу-
ществляют совершенно удивительный. Они окисляют
кислородом воду. В этот процесс вступает не просто
молекулярный кислород, а вот там, на рисунке, кисло-
род со звёздочкой указан, так называемый синглетный
кислород. Этот синглетный кислород, в частности, по-
лучается обязательно, если есть кислород в среде, и
идут те радикальные реакции в воде, когда происходит
рекомбинация, когда идёт развал перекиси водорода,
то кислород из этого развала получается в синглетной
форме, это возбуждённый кислород, то есть уже хи-
мически активированный. Так вот эти самые антитела
используют активированный химический кислород, а
его, судя по всему, получается достаточно, но он очень
коротко живущий из-за своей высокой химической ак-
тивности. Поэтому его мгновенные концентрации чрез-
вычайно малы. А поток его большой. И этот кислород
окисляет воду. И там нарисована такая замечательная
картинка, так сказать, сгорания воды. Кислород плюс
две молекулы воды – получается две молекулы пере-
киси водорода.
Антитела делают перекись очень интенсивно. Там
нет проблем с измерением того, сколько получится пе-
рекиси. Перекиси получается много. Но известно, что
катализатор может только ускорять ту реакцию, ко-
торая, вообще-то говоря, протекает и сама по себе.
Здесь реакция протекает очень быстро. И возникает
вопрос, а в каких условиях, когда и как протекает ре-
акция окисления воды кислородом без этих самых ан-
тител? И выясняется, что эта реакция протекает на са-
мом деле постоянно.
Дмитрий Селивановский. Напомню всё же, что всё живое защищено от
перекиси водорода очень сильно, т.е. что перекись во-
дорода – яд…
Владимир Воейков. Это как раз моя проблема, я всё-таки специа-
лист в области, что такое яды и что такое не яды.
Дмитрий Селивановский. Но всё же всё живое защищено от перекиси во-
дорода.
Владимир Воейков. Дмитрий, всё яд и всё лекарство. Да, как извест-
но, всё зависит от дозы. Правильно? Естественно, не
надо 35-процентной перекисью водорода голову мыть,
чтобы стать блондинкой.
Перекись водорода ядом просто быть не может в тех
концентрациях, в тех дозах, которые вообще мыслимы
в реальной среде, как в нашей внутренней, так в нашей
внешней. Но это уже тема совсем другого разговора.
Дмитрий Селивановский. Не перекись, конечно, а радикалы из воды…
Владимир Воейков. И радикалы тоже, это тема другого разговора,
Дмитрий. Тема другого разговора, и мы с тобой не-
однократно на эту тему говорили, что без радикалов
жизнь невозможна. В частности, если говорить о ради-
калах, я не знаю, были ли на этой передаче разгово-
ры по поводу аэроионов Чижевского. Аэроионы Чижев-
ского – это супероксидные радикалы. Ещё Чижевский
показал, что если в воздухе этих радикалов нет, если
поместить животное в условия нормальной атмосфе-
ры, нормальной концентрации кислорода, нормальной
концентрации азота, то мышки за неделю, крысы за
две недели умирают со 100-процентной вероятностью
от удушья.
Александр Гордон. Я просто хотел узнать, возможно, просчитать
всё-таки… Почему мне эта мысль не даёт покоя – по-
тому что были геологические периоды в истории, когда
повышалась температура и полярные шапки таяли.
Дмитрий Селивановский. Ну – это тоже не факт. Может, эти шапки льда
в другом месте в это время возникали? Гренландия,
например, она же по определению Зелёная страна, а
что мы сейчас имеем?
Александр Гордон. Но я всё-таки хочу досказать свою мысль, с
вашего позволения. Может быть, это просто-напросто
естественный механизм регуляции так называемого
парникового эффекта? Потому что, если выделяется
дополнительное количество кислорода, который, сго-
рая в термосфере, как вы сказали, вызывает повы-
шенную концентрацию озона, который экранирует зе-
млю от ультрафиолетовых лучей, – она начинает осты-
вать. Вот естественный механизм регуляции парнико-
вого эффекта.
Владимир Воейков. Совершенно верно. Если следующую ещё кар-
тинку показать, то там будет виден тот процесс, кото-
рый мы наблюдаем в пробирке. Процесс, как вы ви-
дите, колебательный. Так вот, вообще говоря, все про-
цессы, которые представляют интерес, это все коле-
бательные процессы. Проблема заключается только в
том, и тоже, по-видимому, здесь об этом говорилось,
в каком масштабе времени мы их рассматриваем, эти
процессы. Это могут быть гигантские совершенно по
своей продолжительности циклы, с точки зрения наше-
го личного масштаба времени, так сказать, с точки зре-
ния продолжительности нашей личной жизни.
Александр Гордон. А может быть, вибрация…
Владимир Воейков. Это могут быть чрезвычайно высокочастотные
процессы. И, между прочим, мы говорили по поводу
того, как диссоциирует вода, как она окисляется, как
идут эти процессы. Эти все процессы, так или иначе,
становятся колебательными. И здесь нарисовано кое-
что уже из наших экспериментов. Мы чуть-чуть затро-
нули ту тему, что как только вода диссоциирует, там
появляются радикалы. Эти радикалы, во-первых, сами
по себе проявляют высокую химическую активность.
При этом азот есть, углекислый газ есть. При взаимо-
действии радикалов с азотом, с углекислым газом бу-
дут появляться при обычной температуре более слож-
ные соединения. Но даже если эти радикалы не вза-
имодействуют с азотом, с углекислым газом, а только
друг с другом, то будут выделяться кванты энергии, ко-
торых достаточно для того, чтобы возбудить соответ-
ственно азот и углекислый газ. При такой их химиче-
ской трансформации получаются амины или оксиды
азота, то есть получается то, что мы называем связан-
ный азот. А из углекислого газа будет получаться фор-
мальдегид.
Дмитрий Селивановский. По сути дела это реакция фотосинтеза.
Владимир Воейков. Но как только мы получаем связанные формы
азота и формальдегид, и если их концентрация превы-
шает некую критическую концентрацию, то они начи-
нают взаимодействовать друг с другом. А кислород то-
же уже имеется. И это их взаимодействие друг с дру-
гом идёт так, как нарисовано на этой картинке. То есть
взаимодействие их друг с другом приводит к появле-
нию более сложных органических соединений, сопро-
вождается окислением и восстановлением. Эти про-
цессы сопровождаются дополнительным излучением
энергии, причём энергии электронного возбуждения,
что способствует ускорению, усилению этого процес-
са. И этот процесс превращается в самоорганизую-
щийся процесс. Колебания, которые здесь видны, это
колебания в данном случае излучения из простой во-
дяной системы, в которую ввели простой альдегид и
аминокислоту, простейшую аминокислоту. В ходе этой
реакции появляются уже гораздо более сложные хими-
ческие структуры, они окрашены, представляют собой
хромофоры, флуорофоры и прочие активные соедине-
ния. Появляются предшественники нуклеиновых осно-
ваний. И это происходит очень быстро.
Александр Гордон. Я боюсь, но и надеюсь, что это тема отдельной
программы. Поскольку у нас совсем времени остаётся,
давайте посмотрим клип, который мы приготовили.
Дмитрий Селивановский. Я с удовольствием. Я его бесконечно люблю.
Это просто гроза. И здесь видны капли, и как они чу-
десно взаимодействуют с поверхностью воды…
Владимир Воейков. Кстати, Дим, радикалы – жуткая штука. После
грозы ты надеваешь противогаз?
Дмитрий Селивановский. Так в том-то всё и дело, что жуткая. Я же и го-
ворю про это, а ты меня останавливаешь.
Владимир Воейков. После грозы обязательно надевай противогаз,
а то отравишься озоном. Озон ведь – страшное дело.
Дмитрий Селивановский. Так вот: одна из идей – попыток объяснить, как
и где происходит диссоциация воды и нарабатывает-
ся столь много пероксида водорода в природе, -бази-
ровалась на том, что это в значительной степени про-
исходит в грозах, в грозовых разрядах. Действительно,
видимо, процессы диссоциации воды при грозах про-
исходят… Вот, смотрите, тут и просачивание, сжима-
ние щелей на поверхности из-за набухания водой поч-
вы и капли…
Владимир Воейков. Кстати, мы такого рода опыты ставили, брали
землю сухую и заливали её водой. И это светилось.
Дмитрий Селивановский. К тому же и в энергетическом балансе, общем
по Земле, энергии гроз сильно маловато для появле-
ния известного количества пероксида водорода…
А во-вторых, эти разряды в некотором смысле раз-
рушительны так же, как и созидательны. То есть они
могут приводить к диссоциации воды, они могут спо-
собствовать синтезу, например, соединений азота и
углерода, но эти разряды, эти синтезированные веще-
ства в первую очередь и деструируют.
Потому что если хоть что-то чуть-чуть более высо-
ко организуется, то оно становится и более уязвимым
для таких экстремальных условий. А по общей энерге-
тике на Земле грозы оказались не конкурентоспособ-
ны по сравнению с таким процессом, как испарение –
конденсация.
Александр Гордон. То есть эта повышенная концентрация озона по-
сле грозы, она всё-таки не связана с электрическими
разрядами?
Дмитрий Селивановский. Нет, нет, она, конечно же, связана с электриче-
скими разрядами…
Владимир Воейков. Дело в том, что опять же нельзя всё напрямую
связывать только с электрическими разрядами. Без-
условно, электрический разряд – основной источник.
Но сам по себе этот разряд запускает цепной процесс,
в ходе которого нарабатывается ещё дополнительное
количество озона сверх того, что идёт просто от элек-
трического разряда.
Александр Гордон. Понятно. Понятно, что образованию атмосферы
на нашей планете мы обязаны диссоциации воды, под-
держанию баланса кислорода мы обязаны диссоциа-
ции воды…
Дмитрий Селивановский. А вот почему 20 с небольшим процентов кисло-
рода удерживается всё время в атмосфере – это не-
решённая задача.
Владимир Воейков. Ну, это вами не решённая задача, потому что
вы не учитывали проблему окисления воды. Я думаю,
что если это посчитать, то куда может деваться такое
количество, кроме как не в ту же воду?
Дмитрий Селивановский. Это, возможно, один из механизмов. Но есть же
ещё всё время и процессы выветривания, то есть ки-
слород на это тратится. всё-таки когда-то ещё кисло-
род тратился и на создание оболочки Земли. Она бы-
ла создана – эта шлаковая оболочка, на которой мы
живём, она окисленная целиком.
Владимир Воейков. Но вода поступает непрерывно. Следующий во-
прос, самый важный, на который нет ответа: откуда
взялась вода?
Дмитрий Селивановский. Есть такой очень интересный последователь
Вернадского – Владимир Николаевич Ларин…


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 tо = +4оС, 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)=5х10-10М/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)= 0.5хΔn(H2O2) [М/год]х1/2хV0 [л] = 1.2х1011 молей/год
Здесь коэффициент 0.5 указывает на то, что только половина притока пероксида водорода при распаде образует «новый» кислород; Δn(H2O2) = 5х10-10 М/год — ежегодная суммарная прибавка H2O2; стехиометрический коэффициент 1/2 учитывает необходимость распада двух молекул H2O2 для образования одной молекулы О2; V0 = 1.5х1021 [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) = 0.5х1035 [молекул/год] / (Nх2х2) = 2х1010 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) = 4х1019 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 3х108 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 2х109 лет, т. е. временного периода, сравнимого с возрастом нашей планеты (4х109 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(N2илиСO2)=(1/k)х(2–4)хn(H2O2)хVд [л]=(0.3–1)х1011молей/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) = 5х10-7 М — средняя концентрация H2O2 в осадках; Vд = 4х1017 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)= 4.5х1012 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 20км 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 ) = 3х1013 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) х Vдождей = 4х1010 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)=4х109 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(66)

  • ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ РАЗДЕЛА:
  • РЕДАКЦИЯ РЕКОМЕНДУЕТ:
  • ОСТАВИТЬ КОММЕНТАРИЙ:
    Имя
    Сообщение
    Введите текст с картинки:

Интеллект-видео. 2010.
RSS
X