ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2015, том 461, № 6, с. 673-676
ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
УДК 546.01
К ВОПРОСУ О ПРИРОДЕ АНОМАЛЬНЫХ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СИЛЬНОРАЗБАВЛЕННЫХ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ
© 2015 г. Л. Н. Галль, Н. Р. Галль
Представлено академиком РАН А.И. Коноваловым 23.09.2014 г. Поступило 17.11.2014 г.
БО1: 10.7868/80869565215120142
В последние 30 лет в целом ряде независимых исследований было показано, что многие вещества, проявляющие биологическую активность в биохимических экспериментах, а именно в водных растворах и при достаточно высокой концентрации, демонстрируют высокую биологическую активность [1, 2] и аномальные физико-химические свойства [3—5] в области сверхнизких концентраций, т.е. при сверхвысоких разбавлениях. Эти результаты невозможно объяснить в рамках классических химических представлений.
Экспериментальные исследования комплекса важнейших физико-химических параметров (электропроводность, поверхностное натяжение, дзета-потенциал) сверхвысокоразбавленных растворов десятков соединений различной химической природы в диапазоне концентраций 10-2—10-20 М были проведены в последние годы в Институте органической и физической химии им. А.Е. Арбузова РАН (Казань) академиком А. И. Коноваловым с сотрудниками [3—5]. Оказалось, что вещества, проявляющие бимодальность биологического действия, при последовательном разбавлении растворов до сверхнизких концентраций также демонстрируют аномальность изменения указанных физико-химических параметров [6, 7], которая не может быть отнесена к ошибкам эксперимента.
Кратко просуммируем результаты.
1. Все рассмотренные вещества распадались на две группы в зависимости от характера изменения физико-химических свойств их растворов в диапазоне изученных разбавлений. Вещества первой
Институт аналитического приборостроения Российской Академии наук, Санкт-Петербург E-mail: lngall@narod.ru Санкт-Петербургский государственный политехнический университет Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской Академии наук, Санкт-Петербург
группы (~25% рассмотренных), демонстрировали "нормальное" поведение ("классическое" — по терминологии А.И. Коновалова), заключающееся в том, что по мере разбавления параметры растворов этих веществ приближались к параметрам растворителя — чистой воды. Вещества второй группы (~75% рассмотренных веществ, в их числе вещества, проявляющие бимодальность биологических свойств) демонстрировали "аномальное" ("неклассическое" — по терминологии А.И. Коновалова) поведение измеряемых физико-химических параметров растворов вплоть до предельных разбавлений: эти параметры существенно и немонотонно менялись во всем диапазоне концентраций.
2. Методом динамического светорассеяния было зафиксировано, что все вещества в растворах формируют ассоциаты: структурированные образования с размерами до нескольких сотен нанометров. При этом ассоциаты для "классических" веществ перестают фиксироваться при разбавлениях, больших чем 10—6—10-7 М, в то время как для "неклассических" веществ ассоциаты фиксируются во всем диапазоне разбавлений.
3. Устойчивое воспроизведение всех измеряемых параметров растворов наступало только по прошествии 18—20 ч после проведения разбавления. Образование ассоциатов для "неклассических" веществ оказалось зависимым от того, выдерживались ли растворы на лабораторном столе, т.е. в магнитном поле Земли, или же в пермаллое-вом контейнере, экранирующем внешние поля примерно на 3 порядка. При выдерживании в пермаллоевом контейнере "неклассические" растворы демонстрируют поведение, близкое к поведению "классических": при разбавлении, большем чем 10-7 М, они не образуют ассоциатов, а их электропроводность и поверхностное натяжение при разбавлении стремятся к величинам, характерным для чистой воды.
Эти результаты иллюстрирует рисунок 1. Целью настоящей работы является разработка физической
673
4*
674
Л. ГАЛЛЬ, Н. ГАЛЛЬ
18 с, М
Рис. 1. Зависимость проводимости (%) от концентрации раствора. А и Б — области, различающиеся по типу образующихся ассоциатов.
1 — "классический" препарат триэтиламмониевая соль 2-гидрокси-4-додецил-2-оксо-6-хлорбензо[е]-1,2-оксафосфо-ринина, 2 — "неклассический" фенозан калия.
модели наблюдаемых явлений, т.е. ответ на вопросы, сформулированные А.И. Коноваловым и соавторами в работе [3]: какова взаимосвязь между структурой молекул и образованием наноассоци-атов и какова природа наноассоциатов.
ВЗАИМОСВЯЗЬ МЕЖДУ СТРУКТУРОЙ МОЛЕКУЛ И ОБРАЗОВАНИЕМ НАНОАССОЦИАТОВ
Мы предполагаем использовать представления, развитые нами ранее для описания свойств материи живых систем [8, 9] и связывающие воедино межмолекулярные биохимические реакции с физическими процессами движения энергии как по молекулярным цепям, так и по самоорганизующимся в живой системе цепям структурированной воды: фрактальным водным квазикристаллам. Для живых систем физическая модель движения энергии по цепям биополимера в форме солитонов (квантов энергии в диапазоне ниже 0.2 эВ) была впервые предложена А.С. Давыдовым [10] и в настоящее время является общепризнанной ("солитон Давыдова").
Модель структурирования воды в виде фрактальных энергонапряженных квазикристаллов предложена Н.А. Бульенковым [11] на основе идей обобщенной кристаллографии и представлена им в алгоритмах компьютерного дизайна [11]. Эта модель принципиально отличается от всех ранее предложенных компьютерных моделей воды, строящихся на основе потенциалов парных взаимодействий, поскольку в ней для каждой из молекул воды реализован учет коллективного окружения.
Ранее нами было показано [8, 9], что в системе биополимер—вода самоорганизация воды стимулируется биополимерами: фрактальные энергонапряженные квазикристаллы воды растут на гидрофильных центрах биомолекул и поддерживаются теми же потоками энергии, которые циркулируют по их цепям. Тем самым энергетические потоки в такой системе могут выводиться за пределы цепей биополимера и двигаться по цепям водных квазикристаллов. Движение энергии по одномерным квазикристаллам воды, происходящее без поглощения и рассеяния, является полноценной физической моделью ее межмолекулярной миграции.
Процессы самоорганизации воды и движения энергии, рассмотренные в работах [8, 9] для живых систем, закономерно происходят в водных растворах любых молекул, в структуре которых имеются (или возникают при гидратации) ангар-моничные атомные группы, являющиеся центрами преобразования внешней энергии в солитон-ную (квантовую) форму. Однако если для живых систем важнейшая форма энергии, поступающей к биополимерам и ими преобразуемой, — это химическая энергия, привносимая АТФ, то для исследуемых in vitro водных растворов источник энергии не является столь очевидным. Проведенные нами оценки показывают, что в нормальных условиях лабораторного эксперимента наиболее значимый поток энергии система получает от тепловых колебаний молекул среды, в данном случае — воды. При комнатной температуре этот поток вполне достаточен, чтобы поддержать мо-лекулярно-водную (МВ-) структуру, содержащую до 103—104 молекул воды в расчете на одну группу, —
К ВОПРОСУ О ПРИРОДЕ АНОМАЛЬНЫХ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
675
Рис. 2. Модельные структуры молекулярно-водных образований в растворах.
А — модель минимальной МВ-структуры, образующейся вблизи пептидной связи растворенной молекулы. Б — модель ассоциата, образующегося в результате слияния нескольких МВ-структур в растворе;
1 — водное окружение; 2 — молекулы, выполняющие роль "физических машин" — преобразователей энергии; 3 — области структурированной воды, образованные ее фрактальными квазикристаллами.
генератор солитонных колебаний. Молекулы, не обладающие собственной структурой, способной преобразовывать энергию в солитоны ("классические"), МВ-комплексы образовывать не будут. Неклассические молекулы образуют первичные МВ-комплексы сразу же при растворении; они, видимо, равномерно распределены в объеме раствора и имеют малые размеры, не более нескольких нанометров, и методами динамического светорассеяния не наблюдаются.
КАКОВА ПРИРОДА НАНОАССОЦИАТОВ,
НАБЛЮДАЕМЫХ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ?
Мы полагаем, что природа образующихся ас-социатов в зонах "высоких" (10-3—10-7 М) и "низких" (10-9—10-20 М) концентраций различна; эти зоны можно назвать "нормальной" и "аномальной" соответственно. На рис. 1 эти зоны изображены схематически и обозначены буквами А и Б соответственно. При разведении до 10-7 М молекулы всех исследованных веществ, как "классических", так и "аномальных", в водных растворах образуют области, при динамическом светорассеянии воспринимаемые как "ассоциаты", видимо за счет явления "микрорасслаивания" [12, 13]. При этом раствор, макроскопически гомогенный, на микроскопическом уровне представляет собой области чистой воды, в которых находятся микрообласти, состоящие из молекул растворенного вещества.
А.П. Жуковский и соавторы [14] предложили механизм "микрорасслаивания" и обосновали его экспериментально и теоретически на основе неодинаковости гидрофобных и гидрофильных взаимодействий молекул воды с растворенными молекулами. Увеличение "жесткости" водородных связей с гидрофобной стороны молекул по сравнению с "жесткостью" связей с их гидрофильной стороны приводит к разности давлений на молекулу в водном растворе — к "гидрофобному сжатию". При этом размеры возникающих ас-социатов закономерно уменьшаются при уменьшении концентрации раствора. Индивидуальность растворенных в воде молекул проявляется в зависимости от соотношения эффективных площадей полярных и неполярных областей их поверхности.
Аналогично в экспериментах группы А.И. Коновалова в области концентраций выше 10-7 М все вещества демонстрируют схожие концентрационные зависимости размера наноассоциатов и для "классических", и для "неклассических" молекул. Видимо, в указанном диапазоне концентраций это спонтанно выделившиеся области раствора, в которых присутствуют молекулы растворенного вещества, удерживаемые силами "гидрофобного сжатия".
В зоне же концентраций 10-7—10-20 М ассоциаты "классических" веществ ненаблюдаемы, ас-социаты же "неклассических" молекул, наоборот, достаточно велики. Он
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.