НАНОАССОЦИАТЫ -ТЕРРИТОРИЯ НЕПОЗНАННОГО
Академик Александр КОНОВАЛОВ, Институт органической и физической химии им. А.Е. Арбузова Казанского научного центра РАН
Российскими учеными показано, что биологические эффекты, проявляемые высокоразбавленными водными растворами,
обусловлены образованием наноразмерных молекулярных ансамблей (наноассоциатов) под влиянием двух эффекторов: растворенного вещества и внешнего электромагнитного поля. Открытие этого явления ставит сложные задачи перед физиками, биологами, химиками и требует дальнейших исследований.
Факты, не объяснимые существующими теориями, наиболее дороги для науки, от их разработки следует по преимуществу ожидать ее развития в ближайшем будущем». Мысль, высказанная выдающимся химиком-органиком, действительным членом Петербургской АН Александром Бутлеровым в 1879 г., справедлива и в начале XXI в. Увы, не все ученые следуют этому положению. Уверенность в том, что наши сегодняшние знания всеобъемлющи и достаточны для понимания наблюдаемых явлений природы, приводит к тому, что скорее отрицаются сами факты, чем осуществляется поиск вызывающих их причин. А причины могут крыться в неведомых ранее явлениях. Именно к таким относится обнаруженное нами в ходе исследования, о котором и пойдет речь в данной статье.
Что же послужило его предпосылкой? Сегодня известны тысячи(!) примеров работ, проведенных в различных лабораториях мира и относящихся ко всем уровням биологической организации материи (биомакромолекулы ^ клетки ^ органы ^ организмы ^ популяции), в которых показано: водные растворы биологически активных веществ (БАВ) способны проявлять биоэффекты (речь идет о каком-то фиксируемом отклике биологической системы) при различных концентрациях таких веществ. От «обычных» уровней разбавлений — 10-3—10-7 М (полученные при этом результаты возражений у специалистов не вызывают) до области высоких — 10-12—10-20 М (вот тут возникают вопросы и сомнения). Между указанными уровнями — «мертвая зона», где биоэффекты отсутствуют (здесь следует отметить, что растворы
Тензиометр Sigma 720 ET (KSV Instruments) -прибор для определения поверхностного натяжения.
для соответствующих наблюдений готовят методом последовательных разбавлений — поэтому и применяется термин «высокоразбавленные растворы», приводимые же значения концентраций — расчетные). В России такие работы ведутся на протяжении последних 30 лет в лаборатории доктора биологических наук Елены Бурлаковой (Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН)*.
Почему же возникают вопросы и сомнения относительно эффектов в области высоких разбавлений? Для этого есть основания. Согласно существующим воззрениям таких эффектов не должно быть. Они как бы «вне закона». Действительно, соотношение между числами молекул растворенного вещества и воды уже при концентрации 10-8 М равно один к миллиарду, а при концентрации 10-18 М — один к миллиарду миллиардов! При этих условиях о каком биоэффекте может идти речь?! Такие растворы должны обладать свойствами растворителя, в данном случае — воды. На этом построена концепция бесконечно разбавленных растворов: при разбавлении, т.е. уменьшении концентрации присутствующего вещества, их свойства стремятся (и достаточно быстро) к свойствам растворителя. Поэтому большинство исследователей ответственность за такие эффекты в двойной системе «раствор — биообъект» возлагают на последний. Считается, что он каким-то образом (но каким — неизвестно, все на уровне предположений) реагирует на очень низкие концентрации или отдельные молекулы БАВ.
Ну, а если предположить, что ответственность за явление все же несут растворы? Может быть, в них возникают различные состояния, различные молекулярные ансамбли при различных концентрациях (степени разбавления) растворенного вещества, и биообъекты реагируют именно на эти состояния? Иначе как объяснить существование «мертвой зоны»?
Может быть, истинная причина того, что явление не находило объяснения, крылась в недостаточности уровня наших знаний? Результаты работ, проведенных в Институте органической и физической химии им. А.Е. Арбузова КазНЦ РАН автором данной статьи совместно с доктором химических наук Ириной Рыжкиной и кандидатами химических наук Ляйсан Муртазиной и Юлией Киселевой, показали: это действительно так. Впервые было предпринято достаточно масштабное, систематичное, комплексное исследование водных растворов веществ разной химической природы в широком интервале концентраций набором различных физико-химических методов.
*См. В. Пчелякова. Добро и зло сверхмалых доз. 1995, № 1 (прим. ред.).
Наука в России,
В итоге к настоящему времени изучено около 100 соединений в растворах с концентрациями от 10-2 до 10-20 М (начальная концентрация получена «по навеске», т.е. по взвешенному образцу анализируемого вещества, все последующие — путем последовательного разбавления растворов). В нашем списке — ан-тиоксиданты, регуляторы роста растений, нейро-медиаторы, витамины, транквилизаторы, гормоны, различные лекарства, а также вещества, биологические свойства которых неизвестны. С химической точки зрения в упомянутом перечне представлены соединения различного строения: от простых молекул (например, глицин — простейшая аминокислота) до сложных макроциклических соединений типа порфиринов* или каликсаренов**.
Каковы используемые нами методы и приборная база? Все общепринятое. Правда, техника — новейшая. Никаких сверхмалых данных. Все — далеко за пределами ошибок эксперимента, при соблюдении воспроизводимости результатов. Необычен лишь объект изучения: водные растворы со сверхнизкими концентрациями вещества. Исследовали, как прави-
*Порфирины — природные макрогетероциклические пигменты; к ним относят гемоглобины, хлорофиллы, цитохромы и др. (прим. ред.).
**Каликсарены — макроциклические соединения на основе фенолов, считающиеся с позиций супрамолекулярной химии веществами с почти неограниченными возможностями (прим. авт.).
~1-1-г
-1в -14 -10 lg [ФК]
л са
о &
s
VO
-17
-13
lg[а-ТФ]
b
ло, удельную электропроводность(х), поверхностное натяжение(с), рН, в отдельных случаях — диэлектрическую проницаемость, оптическую активность. Все это — свойства растворов. Существенно применение метода динамического светорассеяния (DLS — Dynamic Light Scattering), позволяющего определять размеры нанообъектов, присутствующих в растворах. Без него результаты всех остальных методов повисли бы в воздухе. Следует отметить, что применяемый в работе прибор Zetasizer Nano ZS фирмы Malvern Instruments (Великобритания) для измерения так называемого среднего гидродинамического диаметра нанообъекта (D) дает также возможность определять дзета-потенциал (он характеризует взаимодействие движущегося нанообъекта со средой). Таким образом, в нашем распоряжении были, с одной стороны, параметры растворов, с другой — параметры нанообъектов.
И еще. Опыты проводились как в «обычных» (на лабораторном столе), так и в «гипоэлектромагнит-ных» условиях. В последних случаях растворы после их приготовления в соответствии с разработанной процедурой выдерживали перед измерением 24 ч, но не на лабораторном столе, а в трехслойном пермалло-евом (на основе сплава железа и никеля) контейнере,
Зависимость степени активации протеинкиназы С от концентрации фенозана (калиевая соль), добавленной к гладкомышечным клеткам аорты крыс, растущим в культуре (а);
изменение ингибирования активности протеинкиназы С в зависимости от концентрации a-токоферола (b).
экранирующем его содержимое от действия внешних электромагнитных полей. В частности, индукция геомагнитного поля снижалась более чем в тысячу раз, что является хорошим показателем экранирования.
Каковы же результаты изучения физико-химических свойств растворов? Анализ совокупности полученных данных привел нас к выводу, что концепция бесконечно-разбавленных растворов не универсальна. Растворы одних веществ ей соответствуют, других — нет. Поведение первых (порядка 25% из числа изученных соединений) было названо авторами «классическим», вторых (75%) — «неклассическим».
«Классическое» поведение — это достаточно быстрое достижение свойств растворителя при последовательном разбавлении растворов и никакого дальнейшего изменения их свойств. Было показано, что как поверхностное натяжение, так и удельная электропроводность при концентрациях 10-6 —10-7 М достигали значений воды и при дальнейших разбавлениях не изменялись (поверхностное натяжение и удельная электропроводность бидистиллированной воды, применявшейся в экспериментах, составляли соответственно 71—72 мН/м и 1,5—2,0 мкСм/см). Эти показатели характерны для растворов приблизительно 25% изученных соединений. А для оставшихся 75%?
Здесь выявилась неожиданность. Оказывается, свойства растворов изменяются при разбавлении, причем нелинейно. Так, к примеру, для растворов фенозана калия (антиоксидант, синтезированный в Институте химической физики им. Н.Н. Семенова РАН) было показано, что в данном случае поверхностное натяжение при некоторых разбавлениях (концентрациях ниже 10-6—10-7 М) неожиданно снижается на 10—20 мН/м. Удельная электропроводность вдруг достигает 40 мкСм/см и претерпевает дальнейшие изменения. Причем все это за пределами ошибок эксперимента. Сопоставление изменений биоэффектов и физико-химических свойств растворов с разбавлением привело к выводу, что между ними имеется соответствие, т.е. и те, и другие являются результатом «неклассического поведения». У них общие причины. Какие?
Ответ получили с помощью метода динамического светорассеяния. И вывод такой: в высокоразбавлен-ных водных растворах соединений с «неклассическим поведением» образуются наноразмерные молекулярные ансамбли, названные нами наноассоциатами. Их размеры, достигающие в ряде случаев 400 нм, изменяются с разбавлением нелинейно и немонотонно, скорее скачкообразно, в итоге получается картина,
Концентрационная зависимость поверхностного натяжения (1) и удельной электропроводности (2) разбавленных растворов фенозана калия, 25oС.
он
а (мН/м) х (мкСм/см)
1д [ФК]
напоминающая зазубренную пилу. Примером здесь вновь могут служить раство
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.