Изотополы воды и их биологическая активность

УДК 543 ББК 24

Корзун Н.Л., Толстой М.Ю.

Изотополы воды и их биологическая активность. — Саратов: Издатель-

ство «Вузовское образование», 2014. — (Высшее образование). — 49 с. — Док. опубл. не был. — Доступ с сайта ЭБС IPRbooks.

Показана структура и изученные свойства воды, проведен анализ исследований по аномальным свойствам воды с изменением изотопного состава.

Ключевые слова: вода, молекула, структура воды, свойства, аномальные свойства воды, изотопы, биологическая активность.

Библиогр. 132 назв., 8 илл.

Корзун Никита Леонидович, кандидат медицинских наук, доцент кафедры Инженерных коммуникаций и систем жизнеобеспечения, технический руководитель научно-исследовательской лабораторией Качества воды.

E-mail: korzun.nikita@mail.ru

Толстой Михаил Юрьевич, заведующий кафедрой Инженерных коммуникаций и систем жизнеобеспечения, директор инновационного центра «Энергоэффективность», кандидат технических наук, профессор.

E-mail: tolstoi@istu.edu

2

СОДЕРЖАНИЕ

Введение ………………………………………………………………………..4

1.Физические свойства воды …………………………………………………7

2.Другие аномальные свойства воды …………………………………...…..13

3.Изотопные эффекты воды и их биологическая роль ……………….…...17

4.Биологическая роль воды …………………………………………………25

5.Способы, получения активированной воды …………………………..…28

6.Вода с измененным изотопным составом и обработанная различными способами …………………………………………………………………….32

Заключение ……………………………………………………………………36

Библиографический список ………………………………………………….38

3

Введение

Вода (простая формула которой Н-О-Н), является базовым компонентом любой экосистемы и изменение ее активности вызывает перемены в подавля-

ющем большинстве элементов экологических систем. Вода была и остается са-

мым необычным веществом в нашем трехмерном мире. И в этом мире обыкно-

венной воды не существует.

"Дважды не войти в одну и ту же реку, ибо притекает другая вода". "Нель-

зя войти в одну и ту же реку дважды, равно как и дважды коснуться смертной природы в прежнем состоянии: она рассеивается и собирается, одновременно образуется и убывает, приближается и удаляется"[1]. Эти изречения принадле-

жат Гераклиту Эфесскому - древнегреческому философу, жившему в V в. до н.

э., во времена Будды Шакьямуни. Он высказал идею о всеобщей изменчивости,

становлении природы, написал не дошедшее до нас сочинение "О природе", от которого сохранились лишь отрывки в трудах поздних авторов. Стиль Геракли-

та отличается поэтической образностью. Многозначная символика его фраг-

ментов делает подчас загадочным их внутренний смысл, вследствие чего Ге-

раклита еще в древности прозвали "темным".

Вода всегда и всюду необыкновенная и всегда разная. За счет водородной связи каждая молекула воды связана довольно хорошо с четырьмя соседними молекулами. Взаимное приближение между молекулами уменьшает размер сложной молекулы воды. Такое необычное молекулярное строение воды и обу-

славливает ее необычные свойства.

Вода может находиться в свободном и связанном состоянии. Свободная вода легко перемещается по порам, трещинам и обладает обычными для воды физическими свойствами. Связанная вода испытывает влияние сил разной ин-

тенсивности, придающее ей аномальные свойства.

Уже много десятков и даже сотен лет вода – объект особого внимания ис-

следователей. Изучают воду пресную, соленую, замороженную, намагничен-

4

ную. И чем больше ее изучают, тем больше накапливается поразительных и не-

понятных фактов, которые ждут своего объяснения.

Вода – загадочное вещество. Можно смело утверждать, что на Земле нет человека, который бы не знал, что такое вода. Мы ежедневно пользуемся ею. С

момента нашего рождения вода становится самым привычным веществом из тех, с которыми мы сталкиваемся. Вода везде, её запасы огромны. Достаточно вспомнить, что около трёх четвертей планеты покрыто водой. В.И. Вернадский говорил: «Нет земного вещества - минерала, горной породы, живого тела, кото-

рое бы её не включало» [2]. Мы купаемся в море и ходим под дождём, мы пьём воду и готовим на ней пищу, мы поливаем водой огород и ловим в ней рыбу,

мы используем пар и добавляем в коктейли лёд. И постепенно погружаемся в иллюзию, что знаем о воде всё.

Существует труднообозримый массив данных о зависимости биологиче-

ской активности воды (БАВ) от характера воздействия на нее различных эко-

логических (как биотических, так и абиотических) факторов, от ее структуры, а

также от изотопного состава [3-7, 47, 52].

Цель работы: обобщить исследования воды в области изотопного со-

става и её биологической актиности для постановки задач дальнейших ис-

следований.

В этой связи изучение БАВ представляется крайне важной и перспек-

тивной областью экологии и имеет большое практическое и теоретическое значение.

Влияние изотопного состава на БАВ в подавляющем большинстве работ изучали лишь при обогащении воды дейтерием, и очень мало сообщений о БАВ воды с низким показателем дейтерий/протий (D/H) [8, 9, 10, 45].

Значительное число публикаций, посвящено анализу структуры воды с помощью ИК-спектроскопии и квантово-механических расчетов, а также при помощи ЯМР (ядерного магнитного резонанса). К сожалению, как правило, по-

добные исследования носят односторонний характер – изучается либо только структура воды, либо ее физические или биологические свойства [11-17].

5

Серьезной трудностью при исследовании БАВ является низкая воспроиз-

водимость результатов экспериментов. Одна из важнейших причин этого кро-

ется в том, что БАВ и характер ее влияния на организмы могут меняться за очень короткие промежутки времени, а основные биотесты, позволяющие определять БАВ, измененную под действием различных факторов, дают реак-

цию через 1 – 4 и более суток [10, 18, 19,]. Поэтому наиболее слабым моментом в изучении БАВ является отсутствие экспрессных методов определения ее эф-

фектов на организмы и недостаточное использование комплексного подхода.

6

1. Физические свойства воды

Вода (Н2O) – простейшее устойчивое химическое соединение водорода с кислородом, бесцветная жидкость с температурой кипения 100оС. Химическая формула воды такая простая. Н2О; Н-О-Н [21-26].

Размер 1 молекулы воды составляет около 3 Å(ангстрем) или примерно

0,28 нм (нанометра).

Вода состоит из одного относительно большого атома кислорода и двух небольших атомов водорода, вокруг которого вращается облачко общих отри-

цательно заряженных электронов, рисунок 1. Угол H-O-H молекулы H2O в га-

зообразном и жидком виде колеблется от 104,50 до 1090

Рисунок 1. Схема строения молекулы воды.

Во льду все молекулы связаны между собой водородными связями. При этом четыре связи каждой молекулы локально организованы в тетраэдрическую структуру, четыре близлежащие молекулы располагаются в вершинах трех-

гранной пирамиды, в центре которой находится пятая молекула воды,

рисунок 2.

Рисунок 2. Тетраэдрическая структура молекулы воды

7

Положительно заряженное ядро атома кислорода, ввиду своей большой массы и заряда, сильнее притягивает к себе электронное облачко, оголяя при этом ядра водорода.

Молекула воды (H2O) состоит из двух атомов водорода (H1) и одного атома кислорода (O16).

Три ядра в молекуле воды образуют равнобедренный треугольник с двумя протонами водорода в основании и кислородом в вершине. Расстояние O–H

0,9568 Å (0.1 нм); H–H – 1,54 Å (0,15нм). Модель молекулы воды, предложен-

ная Нильсом Бором [27], показана на рисунке 3.

Свойства воды в основном зависят от водородных связей. Из-за большой разности электроотрицательности атомов водорода и кислорода электронные облака сильно смещены в сторону кислорода. По причине этого, а также того,

что ион водорода не имеет внутренних электронных слоев и обладает малыми размерами, он может проникать в электронную оболочку отрицательно поляри-

зованного атома соседней молекулы. Благодаря этому каждый атом кислорода притягивается к атомам водорода других молекул и наоборот.

Рисунок 3. Строение молекулы воды, предложенная Н. Бором [27]:

а– угол между связями O–H;

в– внешний вид электронного облака молекулы воды.

Каждая молекула воды может участвовать максимум в четырех водород-

ных связях: два атома водорода – каждый в одной, а атом кислорода – в двух; в

таком состоянии молекулы находятся в кристалле льда. При таянии льда часть

8

связей рвется, что позволяет уложить молекулы воды плотнее; при нагревании воды связи продолжают рваться, и плотность ее растет, но при температуре выше 4 °С этот эффект становится слабее. При испарении рвутся все оставшие-

ся связи. Разрыв связей требует много энергии, отсюда высокая температура и удельная теплота плавления и кипения и высокая теплоемкость. Вязкость воды обусловлена тем, что водородные связи мешают молекулам воды двигаться с разными скоростями. Строение электронного облака молекулы воды таково,

что во льду каждая молекула связана четырьмя водородными связями с бли-

жайшими к ней молекулами, координационное число молекул в структуре льда равно четырем. О размере молекулы можно судить по величине расстояния между ближайшими молекулами во льду, составляющего 2,67 Å (0,267 нм). Со-

ответственно молекуле воды можно приписать радиус равный 1,38 Å

(0,138 нм). Дипольный момент воды равен 1,87 Дебая (Электрический диполь-

ный момент - векторная физическая величина, характеризующая, наряду с суммарным зарядом электрические свойства системы заряженных частиц (рас-

пределения зарядов) в смысле создаваемого ею поля и действия на нее внешних полей. Главная после суммарного заряда и положения системы в целом (ее ра-

диус-вектора) характеристика конфигурации зарядов системы при наблюдении ее издали. 1 Д = 3,33564·10−30 Кл·м).

Исследования показали, что в воде сохраняется ближняя упорядоченность,

свойственная структуре льда. Следовательно, тенденция каждой молекулы во-

ды к окружению четырьмя ближайшими молекулами и к образованию с ними водородных связей свойственна как жидкому, так и твердому состоянию. Рас-

стояние между ближайшими молекулами при плавлении льда изменяется от

2,76 Å (0,276 нм) до 2,90 Å (0,29 нм). Свойственное среднее расположение ближайших молекул ведет к очень рыхлой, ажурной структуре. Именно с этим связаны аномальные свойства воды.

Почти шарообразная молекула воды имеет заметно выраженную поляр-

ность, так как электрические заряды в ней расположены асимметрично. Каждая молекула является миниатюрным диполем с высоким дипольным моментом.

9

Полярность молекул, наличие в них частично некомпенсированных элек-

трических зарядов создает группировки молекул – ассоциаты. Полностью соот-

ветствует формуле Н2O лишь вода, находящаяся в парообразном состоянии. В

температурном интервале от 0 до 100 °С концентрация отдельных (мономерных молекул) жидкой воды не превышает 1 %. Все остальные молекулы воды объ-

единены в ассоциаты различной степени сложности, и их состав описывается общей формулой [Н2O]Х. Причиной образования ассоциатов являются водо-

родные связи. Они возникают между ядрами водорода одних молекул и элек-

тронными «сгущениями» у ядер кислорода других молекул воды.

Неравномерное распределение электрических зарядов приводит к тому,

что молекула воды поляризуется, становится маленьким магнитиком.

В магнитном поле Земли молекулы воды, находящейся в жидком состоя-

нии, собираются в некие нестабильные конструкции под действием притяжения разноимённо заряженных полюсов. Нестабильность таких конструкций опреде-

ляется слабостью водородных связей между молекулами воды, называемых иногда водородными мостиками.

Таким образом, тетраэдрическая форма отдельной молекулы повторяется в кристаллической структуре льда. Возможно, определенную роль здесь играет то, что угол H-O-H молекулы H2O почти равен идеальному тетраэдрическому углу 109°, а молекулы воды, как мы знаем, объединяются с помощью водород-

ных связей, которые они образуют именно в направлении O-H. Эти трехгран-

ные пирамиды могут также объединяться в некую сверхструктуру. Во льду та-

кая сложная трехмерная сверхструктура из тетраэдров простирается на весь объем, рисунок 4.

Льдообразная молекула воды содержит как простые молекулы воды, так и кластера льдообразных структур, рисунок 5.

10