ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК, 2015, том 85, № 3, с. 247-249
ТОЧКА == ЗРЕНИЯ
Б01: 10.7868/80869587315030093
В последние годы свойства воды стали предметом обсуждений не только в научных кругах, но и в массовых изданиях, рассчитанных на широкую аудиторию. Автор предлагаемой читателям статьи задаётся вопросом, лежат ли в основе алармистских публикаций научно обоснованные факты, и рассматривает один из возможных механизмов воздействия воды на здоровье человека.
О ВОЗМОЖНОСТИ НАБЛЮДЕНИЯ КИНЕТИЧЕСКИХ ИЗОТОПНЫХ ЭФФЕКТОВ В ЖИЗНЕННЫХ ЦИКЛАХ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ ПРИ СВЕРХНИЗКИХ КОНЦЕНТРАЦИЯХ ДЕЙТЕРИЯ
В.Н. Пармон
Во всём мире одной из обсуждаемых тем околонаучных публикаций являются сообщения, в которых декларируется способность глубоко обеднённой по дейтерию воды (deuterium depleted water, DDW) предотвращать некоторые наследственные и онкологические заболевания.
Безусловно, в массе статей, где утверждается воздействие ничтожных концентраций дейтерия на живые организмы, очень много надуманного, учитывая в том числе особенности медицинской и биологической статистики. Более того, сообщения о заметной роли дейтерия в сверхмалых дозах, на первый взгляд, представляются научным абсурдом, поскольку на языке физической химии речь идёт о значимых кинетических изотопных эффектах (например, об изменении частоты онкологических заболеваний) при ничтожных концентрациях дейтерия: в природной, ещё не обеднённой по дейтерию воде обычное содержание тяжёлого изотопа водорода (дейтерия) составляет только 0.015 ат. % от содержания лёгкого изотопа — протия. Поэтому, с точки зрения проявления кинетических изотопных эффектов в сложных (био)химических процессах, дальнейшее обедне-
ПАРМОН Валентин Николаевич — академик, директор Института катализа им. Г.К. Бо-рескова СО РАН. parmon@catalysis.ru
ние воды по дейтерию представляется бессмысленным.
Хорошо известно, что заметные изотопные кинетические эффекты обнаруживаются при высокой степени замещения атомов протия на дейтерий в реагирующих химических соединениях или их фрагментах. Обычно это проявляется в существенном, в ряде случаев кратном, замедлении некоторых химических процессов, в которых скорость-определяющими являются превращения с участием водородсодержащих химических фрагментов молекул [1, 2]. В сложных многостадийных превращениях иногда наблюдают и "аномальные" изотопные эффекты, когда замена про-тия на дейтерий вызывает ускорение процесса. Однако, как уже было сказано, эти кинетические изотопные эффекты наблюдаются лишь при высокой степени замещения атомов протия на дейтерий в субстратах превращений. Последнее достигается с помощью специальных методов синтеза дейтерийсодержащих реактантов либо за счёт использования высококонцентрированных по дейтерию газов или растворителей, например "тяжёлой" воды, с практически полным замещением атомов протия на дейтерий.
Возможность заметного воздействия высококонцентрированной по дейтерию воды на живые организмы не вызывает никакого сомнения: такое воздействие статистически достоверно приводит к угнетению жизнедеятельности. При низком содержании дейтерия кинетические изотопные эффекты, как правило, оказываются смазанными, поскольку экспериментально фиксируемые химические превращения обеспечиваются основной массой вещества, то есть молекулами, содержащими основной изотоп, в нашем случае — про-тийсодержащими молекулами, в то время как дейтерийсодержащие молекулы составляют лишь
248
ПАРМОН
очень незначительную часть реагирующих молекул. Поэтому в условиях ничтожно малой концентрации дейтерия в природной воде возможность наблюдения изотопных эффектов при дальнейшем обеднении воды по дейтерию, на первый взгляд, представляется нереальной. Тем не менее отрицать вероятность изотопных эффектов в жизнедеятельности живых организмов при сверхнизких концентрациях дейтерия, думаю, пока преждевременно.
Это связано с тем, что функционирование и временная эволюция живых организмов самым тесным образом связаны с процессами передачи (считывания) биологической информации, контролируемой водородными связями, которые обеспечивают образование двойных спиралей ДНК за счёт межмолекулярного взаимодействия комплементарных мононуклеотидов [3, с. 51, 52, 106, 107]. Реализация этой биологической информации (например, "сигнал" о необходимости перехода к следующей стадии развития организма) стартует с появлением одной молекулы-инициатора, которая далее размножается системами, обладающими автокаталитическими свойствами. В таких системах скорость образования молекул автокатализатора растёт пропорционально уже имеющемуся их количеству или количеству промежуточного продукта автокаталитического превращения, поэтому процесс имеет лавинообразный характер. Ещё раз подчеркну, что для старта автокаталитических процессов достаточно появления лишь одной активной молекулы автокатализатора. При этом в случае одинакового состава всех молекул ДНК процессы считывания биологической информации в соответствии с законами химической кинетики являются высокосинхро-низированными, что хорошо известно биологам, как, например, явление синхронности стадий деления яйцеклеток после их оплодотворения. Сходную природу имеет и известная особенность многих генетически обусловленных наследственных заболеваний проявляться у носителей дефектного гена примерно в одном и том же возрасте.
Время хранения (и, вероятно, спонтанного считывания) биологической информации очень грубо можно оценить как характерное время мономолекулярной реакции "раскрытия" двойной спирали, то есть разрыва межмолекулярных химических связей двойной спирали ДНК. Это "водородные" химические связи умеренной прочности.
При замещении протия на дейтерий в водородных связях отношение времени хранения-считывания информации (тн и т0) должно составить
Тн ~ ехр ), хп \ ят !
где AE1 — различие в энергиях Э- и Н-связей в носителе информации, п — число задействованных водородных связей, R и T — соответственно универсальная газовая постоянная и термодинамическая температура объекта. Полагают, что для межмолекулярных водородных связей мононук-леотидов, составляющих основу молекул ДНК и контролирующих прочность их димеров — двойных спиралей, Л£1 ~ +2 кДж/моль [4, 5]. Поскольку при типичных температурах жизнедеятельности и развития живых организмов RT ~ 2.6 кДж/моль, то даже при п = 1
Тн ~ ехр(-—) - 0.43.
хс \ 2.6/
Таким образом, действительно, попадание атома дейтерия вместо протия в водородную связь носителя биологической информации — двойную спираль молекул ДНК — способно вызвать очень заметный временной сбой в передаче этой информации, вероятнее всего, за счёт задержки раскрытия какой-либо водородной связи.
Атомы дейтерия попадают в водородные связи двойных спиралей молекул ДНК вследствие очень быстрого протий-дейтериевого изотопного обмена с молекулами окружающей воды, что обусловлено умеренной прочностью связей, о которых идёт речь. Конечно, при природном содержании дейтерия в воде f = 0.015 ат. % равновесная вероятность PD попадания дейтерия в каждую из возможных водородных связей невелика, но всё же ощутима:
Ъ ~ ехр ) /
ехр
ят
1 ) 1.5 х 10-4
2.6
2 х 10-
где АБ2 ~ +1 кДж/моль — различие в энергиях водородных Э- и Н-связей в воде окружающей среды [6].
Поэтому, учитывая, что число молекул ДНК, в которых хранится биологическая информация, в живом организме заведомо больше, чем 104, даже при упомянутых малых значениях PD вероятность найти среди них хотя бы одну двойную спираль молекул ДНК, "заражённую" дейтерием в любой из возможных водородных связей, включая связи в дефектном гене, оказывается существенной. Равновесная вероятность такого "заражения" пропорциональна содержанию дейтерия в воде. А поскольку процессы, протекающие после считывания (передачи) биологической информации, имеют автокаталитический характер, то сбой даже в одном молекулярном носителе информации может привести к серьёзным последствиям.
Заметим, что на практике проявление такого специфического изотопного дейтериевого эффекта может обнаружиться только как преждевре-
О ВОЗМОЖНОСТИ НАБЛЮДЕНИЯ КИНЕТИЧЕСКИХ ИЗОТОПНЫХ ЭФФЕКТОВ
249
менное (по сравнению с "лёгкой" протиевой водой) срабатывание механизма передачи "неправильной" биологической информации. Действительно, более поздние проявления влияния дейтерия просто ни к чему не приведут, так как прежде сработают двойные спирали молекул ДНК с лёгким протием, которые составляют огромное большинство.
Учитывая невероятную сложность суммарного процесса реализации биологической информации в организме, общее форсирование процесса может быть следствием не только ускорения разрыва водородной связи, но даже его замедления на какой-либо стадии. Как уже отмечено выше, о возможности ускорения сложных химических процессов при введении тяжёлого изотопа хорошо известно, это явление носит название "аномальный изотопный эффект".
В конечном счёте описываемое влияние ничтожных количеств дейтерия в воде действительно может привести к сбою темпа развития живого организма и, в случае наличия дефектных генов, к ускорению проявления наследственных заболеваний. Возможность такого механизма обусловлена тем, что в результате естественного отбора в ходе эволюции человека как биологического вида его наследственный аппарат был запрограммирован на безотказную работу биологической информационной машины даже с дефектными генами на срок гарантированного воспроизводства потомства (для человека это около 30 лет) при участии "лёгкой" протиевой воды. А тут — вмешательство дейтерия. В любом случае можно ожидать, что наличие даже очень малых количеств дейтерия в окружающей или потребляемой живым организмом воде действительно может проявиться в виде ощутимых кинетических изотопных эффектов в темпе развития организма.
Так ли это в реальности, можно проверить экспериментально, выявляя статистически досто-
верные отклонения, например, в наступлении чётко выраженных и хорошо изученных фаз развития быстрорастущих генетически однородных организмов при контролируемом изменении содержания дейтерия в воде, а также по изменениям в карте экспрессии генов. Учит
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.