Странная постановка вопроса о, казалось бы, самом обычном и наиболее распространённом веществе в мире, тем не менее, перекочёвывает из одной книги по воде к другой с неизменной целью - заинтриговать читателя. Вот вам кажется, что вы что-то знаете о воде, а на самом деле есть в ней что-то таинственное и непознаваемое, о чём вы даже и не догадываетесь. Такая подоплёка этого вопроса неизменно чувствовалась и затем подкреплялась перечислением странных свойств воды, оправдывающих форму вопроса.
Вот только некоторые наиболее важные особенности воды. Прежде всего, по своим химическим свойствам при комнатной температуре она должна была оставаться газом. Самым ярким примером, подтверждающим данное утверждение, является существование в газовом состоянии родственного ей соединения - сероводорода, хотя атом серы, заменяющий кислород, в два раза даже тяжелее атома кислорода. Геометрически молекула сероводорода отличается от молекулы воды тем, что угол между S-H связями составляет 92 градуса, тогда как угол между О-Н связями составляет 104,5 градуса. Напомним, что теоретически, согласно квантовой химии, такой угол должен был быть прямым. Как ви¬дим, геометрия молекулы воды довольно сильно отклонилась от теории в отличие от геометрии молекулы сероводорода, практически точно приблизившейся к расчётной. Удивительно
, но именно эта разница определила разные состояния этих веществ, сделав воду при комнатной температуре жидкостью.
Не мудрено, что такая странным образом получившаяся жидкость стала обладать необычными свойствами. И дело не только в том, что её температуры замерзания и кипения должны были быть значительно ниже, а в том, что максимальная плотность воды наблюдается около четырёх градусов по Цельсию и, следовательно, при последующем охлаждении начинает уменьшаться, а не увеличиваться, как у всех нормальных жидкостей при понижении температуры. Разумного объяснения этому факту до сих пор не существует, хотя плавающий лёд постоянно напоминает об этой аномалии.
Конечно, есть и другие необычные свойства, например, минимальное значение теплоёмкости при 35 градусах по Цельсию, что безусловно имеет значение для живых организмов.
Всего этого оказалось достаточным для пристального внимания к исследованиям структуры воды, тем более, что в организме человека водная среда составляет 70-80%.
4. ПРОБЛЕМА СТРУКТУРЫ ВОДЫ.
Прежде всего, необходимо пояснить, почему вдруг понятие «структура воды» оказалась проблемой и зачем вообще нужно затрагивать это сложное и неудобоваримое понятие. Дело в том, что необычные свойства воды надо было как-то объяснять, а кроме внутренних преобразований молекул воды, наверно, просто нечего было придумать в качестве причины проявления этих свойств.
Настороженность академических научных кругов к слову «структура» в отношении воды объяснялась двояко. Во-первых, единственный фактор для внутреннего преобразования молекул воды - водородная связь имеет чрезвычайно малое время жизни: порядка десять в минус двенадцатой или четырнадцатой секунды. Какая уж тут структура! Не успев возникнуть, уже должна распасться. Во-вторых, от наличия структуры воды до «пресловутой» «памяти воды» один шаг. А с этим понятием связана целая эпопея не очень-то научных взглядов. К такому выводу пришли многие приверженцы консервативных научных кругов. Дело в том, что ещё в 1988 году француз Жак Бенвенисто провозгласил явление памяти воды на основе анализа своих гомеопатических исследований [6], естественно, ничего не упоминая о каких-то молекулярных представлениях о структуре воды. Это вызвало бурю протеста против приписывания обычному веществу свойства высоко-организованных животных. Ему даже дважды пытались за столь «нелепое» предложение как бы «присвоить» шутовскую Нобелевскую премию. Когда в его приезд в Россию, за два года до смерти, после его выступления в Федеральном центре Минздрава автору этих строк удалось подробно расспросить его мнение по поводу расшифровки механизма памяти воды, он убеждённо ответил, что этим должны заниматься физико-химики и биофизики. Зная направление наших физико-химических исследований по воде, Ж. Бенвенисто тут же добавил: «Вот Вы и должны дойти до объяснения механизма памяти воды». Тем самым, с одной стороны, он показал, что о памяти воды следует говорить на гораздо более тонком уровне чем биомакромолекулы, а, с другой стороны, он также подтвердил свою позицию в этом вопросе - на уровне его исследований создавалось чёткое убеждение в наличии явления «памяти воды». Получить же полное подтверждение и расшифровку механизма памяти воды, по его мнению, можно было только на молекулярном уровне.
Нигилистическое отношение научных кругов к изучению внутримолекулярных взаимодействий в воде, правда, следует объяснять не только малым временем жизни водородной связи, но
и невообразимым их многообразием. Представьте себе, какое количество комбинаций таких связей можно получить, если даже одна молекула воды имеет четыре центра образования водородных связей. У димера их окажется шесть, у тримера уже восемь, а последующие молекулы могут подсоединяться к любому из этих центров образования водородных связей. Поэтому выбор пути ассоциации молекул воды являлся всегда серьёзным препятствием в исследованиях её структурного состояния.
Взаимосвязь структуры и памяти воды сразу прокладывает мостик от молекулярных представлений к необходимым для научного обоснования биоэнерготерапии выводам, однако, путь этот оказался длительным и кропотливым, что в принципе характерно для любого серьёзного научного исследования.
5. РАСШИФРОВКА СТРУКТУРНОГО СОСТОЯНИЯ ВОДЫ.
5-1. Формирование стабильных ассоциатов.
Для получения первичной картины структурного состояния воды в последнее столетие потрачено немало усилий многих учёных. Но удовлетворительной картины при создании структурных моделей воды, по признанию большинства специалистов, до последнего времени получить не удалось. Данное обстоятельство несколько прояснилось при выявлении причины столь неудачных попыток в исследовании воды. Если ранее при обычном термодинамическом подходе воду следовало рассматривать как статистическую систему хаотически взаимодействующих молекул, то последние исследования показали возможность качественно иного подхода, учитывающего исходные структурные особенности молекулы воды и направленный характер процесса образования водородных связей (рис.1), т.е. некий порядок в последовательности взаимодействия центров образования водородных связей в воде.
Результаты детального изучения последовательности элементарных актов в воде оказались ошеломляющими. Вода предстала перед исследователями в виде строго упорядоченной полностью детерминированной системы. С одной стороны, это противоречило рассмотрению с позиции статистической термодинамики, с другой стороны, это привлекало вследствие полного учёта химических процессов комплексообразования в водной среде, без которого использование законов статистики в хаосе взаимодействующих молекул представляется некорректным.
Что же явилось эвристическим решением в этой, казалось бы, столь сложной, запутанной и трудно разрешимой даже в принципе задаче? Похоже, что только одно обстоятельство, без учёта которого выйти на стройный порядок построения ассоциатов молекул воды фактически невозможно знание элементарных основ химической кинетики. Если в геометрии построения ассоциатов появляются структуры с лежащими в одной плоскости центрами образования водородных связей, то константы межмолекулярного взаимодействия между ними не складываются из отдельных констант равновесия по каждой из водородных связей, а являются их произведением.
Поскольку эта фраза звучит чуть более научно, чем положено для научно-популярного изложения, попробуем упростить понимание смысла сказанного. Когда две молекулы образуют ассоциат, то отношение концентрации ассоциата к произведению концентраций исходных молекул называется константой равновесия. Для молекул воды при комнатной температуре такая константа имеет значение порядка 10 л/моль. Если представить себе два более сложных ассоциата, имеющих, например, по шесть центров образования водородных связей в одной плоскости, которые могут взаимодействовать с аналогичной комплементарной шестёркой только все сразу, то соответствующая константа равновесия между ними окажется равной миллиону. Почему это важно знать?
Дело в том, что устойчивость новообразования и, соответственно, его время жизни в этом случае увеличится примерно на шесть порядков. Такое мощное увеличение времени жизни означает наличие принципиально возможного способа резкой стабилизации возникающих в воде ассоциатов, что качественно меняет позицию неприятия положения о принципиальной возможности долговременного существования набора молекул воды, соединённых водородными связями.
Такую позицию в этом случае, наверно, уже следует называть просто неграмотной.
Давайте попробуем учесть выше указанные рассуждения при построении структурных образований из молекул воды. А ещё лучше, если при выборе моделей известные химико-кинетические представления будут постоянно присутствовать для согласования и коррекции предполагаемого и действительного, поскольку их учёт обязательно должен приблизить предполагаемые образования к реально существующим.
Начнём с самого начала, т.е. с одной молекулы воды (рис.1). Два атома водорода и два неподелённых электрона кислорода являются четырьмя центрами образования водородных связей. Поскольку нет никаких причин выделять какую-либо одну из них, то в этом случае следует полагать равновероятное образование водородной связи по любому из четырёх близких к тетраэдрическому направлений. Правда, необходимо сразу обратить внимание на одно простое, но очень важное обстоятельство. Атом водорода рассматриваемой молекулы воды будет взаимодействовать с неподелённым электроном атома кислорода одной из подошедших молекул воды, а неподелённый электрон рассматриваемой молекулы воды будет, соответственно, взаимодействовать с атомом водорода ещё одной из подошедших молекул воды. Такие взаимодействия следует называть комплементарными.
Безусловно, предполагаемое симметричное окружение одной молекулы воды ещё четырьмя (рис.2) может существовать чрезвычайно короткое время. Но центры образования водородных связей у каждой из четырёх внешних молекул, которых остаётся по три на каждую, по вероятности взаимодействия ничем не хуже уже прореагировавших центров и к ним тоже могут на какой-то момент подсоединяться молекулы воды (рис.3). Представить такое семнадцати- молекулярное образование, конечно, можно только гипотетически в силу его кратковременного существования, но геометрия взаимного расположения водородных связей под углом близким к тетраэдрическому и к углу пятиугольника неожиданно даёт шанс увеличить время жизни его существования за счёт образования сразу шести пятичленных циклов (рис.4). Согласно химико- кинетическим представлениям в этом случае как бы появляется узкий по концентрации «ручеёк» перетекания ассоциатов в более долговременное существование. Увеличение времени жизни происходит вследствие углубления ямы потенциальной энергии, в которой находятся все 17 молекул, сразу на величину, равную шести энергиям образования водородной связи. Но главное даже не в этом, а в возникающей геометрии новообразования. Появляется то самое расположение шести центров образования водородной связи в одной плоскости, которые при условии комплементарное готовы «схлопнуться» с себе подобным формированием вследствие миллионной константы взаимодействия.
«Ручеёк» перетекания ассоциатов в более долговременное существование в каждой из шести ям потенциальной энергии 17-ти молекулярного остова «нашёл» следующее углубление потенциальной ямы, равное также шести энергиям водородной связи. В результате возникает красивая геометрическая фигура (рис.5) - додекаэдрический тетраэдр [7,8], который как бы становится своего рода «квантом» в дальнейшем построении - этакий удобный для строительства кирпичик.
«Квант» оправдывает своё название тем, что с его возникновением процесс «схлопывания» с миллионной константой становится единственным и основным процессом дальнейшей ассоциации. Дело в том, что четыре плоскости тетраэдра (рис.5) снова содержат по шесть центров образования водородной связи в каждой и «перетекание» ассоциатов становится большим «ручьём», имеющим два направления (рис.6 и рис.7). Образуются пяти и шестиквантовые образования: супертетраэдр в виде четырёхконечной «звезды» (рис.6) и своего рода шестилучевая «снежинка» (рис.7). Научно эти образования правильнее называть фракциями, поскольку впоследствии они были зафиксированы методом высокоэффективной жидкостной хроматографии именно в виде фракций.
«Ручей» образования и «перетекания» ассоциатов на этом не останавливается, а, наоборот, резко усиливается за счёт неожиданного формирования тремя плоскостями взаимодействующих «квантов» единой плоскости и появления в этой плоскости в каждой из фракций уже восемнадцати центров образования водородной связи (рис.6 и 7), что предполагает последующие взаимодействия с константой равной десять в восемнадцатой степени. Появляется долгоживущая «река» ассоцитов с временем жизни на восемнадцать порядков выше чем время жизни предшествующих образований. Такие ассоциаты могли разлиться в целое «море», а вода в этом случае должна была превратиться в гель. К счастью, этого не случилось, поскольку среди долгоживущих ассоциатов при взаимодействии двух пятиквантовых фракций и одной шестиквантовой фракции образуется геометрическая фигура (рис.8), которую можно представить в виде ромбического куба с ребром 2.9 нм и с острым углом в 60 градусов (рис.9), на каждой грани которого оказалось уже 24 центра образования водородной связи, что послужило причиной окончательной стабилизации такого вида ассоциатов [10].
Вероятно, покажется странным, что такое мощное нарастание количества молекул воды и затем уже количества "квантов" в ассоциатах вдруг внезапно может оборваться. Ответ оказался чрезвычайно простым. Вероятность комплементарного взаимодействия сразу по шесть, затем по восемнадцать, а теперь уже по двадцать четыре центра образования водородных связей стремительно падала вследствие резкого увеличения количества комбинаций, которое необходимо перебрать, чтобы "наткнуться" на комплементарную комбинацию. Поэтому столь мощное увеличение константы связывания по этим центрам компенсировалось не менее мощным падением вероятности комплементарного взаимодействия. На уровне двадцати четырёх центров связывание по водородным связям прекратилось.
Это подтверждается анализом общей схемы ассоциации по во-дородным связям, из которого вытекает простая формула [8] ограничения количества звеньев в ассоциате, полученном по какому-то типу образования водородных связей - по одной, по шесть, по восемнадцать и, наконец, по двадцать четыре
:
Кр Mo = m (m+l)/2
где Кр - константа равновесия по данному типу образования водородных связей,
Мо - концентрация ассоциатов данного типа, m - количество звеньев этого типа образования водородных связей.
Значение m при точном расчёте становится вполне определённым при каждом типе ассоциации, соответственно, для первого 57, для второго либо 5 или 6, для третьего комбинированного 3 и для четвёртого значительно меньше единицы, т.е. показывает невозможность дальнейшего комплексообразования по водородным связям.
Таким образом, ромбический куб из 16-ти квантов или из 912-ти молекул воды оказывается стабильным структурным элементом водной среды, что удалось подтвердить методами протонного магнитного резонанса [7,8], высокоэффективной жидкостной хроматографии [9], методами оптической спектроскопии [10] и сопутствующим анализом и обработкой получаемых экспериментальных данных.
Рассмотрим, что означает положение о том, вся водная среда состоит из структурных элементов.
5-2. Структурный элемент вместо молекулы воды
Такой заголовок может повергнуть в шок любого физико- химика. Посягнуть на "святая-святых", т.е. на основу существования самой распространённой и жизненно необходимой жидкости из молекул воды, - это ли не кощунство? Безусловно, кощунство и притом в настоящее время самое необходимое для понимания химической, биологической и физиологической роли воды. Для химии такое утверждение о замене молекулярной основы воды на структурный элемент, который по молекулярному весу почти на три порядка больше молекулы воды, тут же спасает от противоречия между тем, что по химическим свойствам молекулы воды она должна была существовать при комнатных температурах и при существенно более низких температурах в виде газа, и тем, что вода оказалась в виде столь необходимой нам жидкости. Существенное утяжеление молекулярной основы или, правильнее сказать, элементарной основы прекрасно разрешает указанное противоречие.
Для биологии впервые появляется соразмерность макромолекул и водных структур, что способствует рассмотрению активной роли водной среды во внутриклеточных процессах, отодвигая прежние представления о ней как о пассивном растворителе.
Для физиологии возникает принципиальная возможность объяснения различных субстратных и полевых воздействий на биохимический состав крови через изменение структурного состояния водной составляющей.
Структурный элемент обладает рядом исключительно важных свойств, позволяющих объяснить хорошо известные, но до сих пор необъяснимые явления. Прежде всего, речь идёт о магнитной обработке воды, позволяющей уже сравнительно давно избавляться от накипи в котлах, предотвращая их взрывы при образовании в толстом слое накипи любой «дырки» вследствие, например, отпада даже небольшого куска этого слоя. В воде ничего магнитного кроме магнитного момента протона нет. Попытки объяснить влияние магнитного поля через воздействие на некую кооперацию спинов протонов ничего не дали вследствие статистического характера направлений спинов в различных молекулах воды.
Стабильный структурный элемент имеет на своих гранях частично заряженные атомы кислорода и водорода, и при его вращении вокруг центра тяжести отрицательно заряженные кислороды находятся на 1,09 ангстрема ближе к центру чем положительно заряженные водороды (рис.10). Но это означает, что площадь круга, очерченного движением положительных зарядов, меньше площади круга, очерченного движением отрицательных зарядов. Их разность определяет нескомпенсированный магнитный момент элемента, что тотчас же снимает проблему непонимания воздействия на воду магнитного поля.
Почти полное отсутствие водородных связей между структурными элементами позволяет их рассматривать как бы подвешенными в кулоновском поле, что обеспечивает их чрезвычайную лабильность и, соответственно, высокую чувствительность к действию внешнего магнитного поля.
Взаимное подстраивание элементов в своём расположении под изменённую под действием магнитного поля ориентацию отдельных структурных элементов с максимальными значениями магнитных моментов приводит к общему изменению структурного состояния воды.
Соответственно действие электрического поля сводится не только к непосредственному влиянию на диполи молекул воды, что, скорее всего, не изменит структурного состояния воды вследствие статистического характера распределения направлении диполей в различных молекулах, но и к более существенному взаимодействию с макродиполями структурных элементов.
Также как и в случае магнитного поля взаимное подстраивание элементов в своём расположении под изменённую под действием электрического поля ориентацию макродиполей отдельных структурных элементов с максимальными значениями их дипольных моментов приводит к общему изменению структурного состояния воды.
Указанные механизмы действия электрических и магнитных полей позволяют принципиально объяснить эффект воздействия на воду любых электромагнитных колебаний.
Поскольку распределение зарядов на каждой грани составляет довольно большое многообразие - два в двадцать четвёртой степени, то всегда найдётся при попадании в воду молекул любого вещества с определённым распределением зарядов на поверхности такая грань структурного элемента, на которой будет соответствующее комплементарное распределение зарядов, что приведёт к растворимости вещества. Это объясняет практически универсальную растворимость в воде многих веществ.
Таким образом, обнаружение стабильного структурного элемента не только не противоречит проявлению физических свойств воды, а, наоборот, даже помогает понять причину влияния на состояние воды различных факторов
. Уровень стабильных структурных элементов со строго упорядоченной тетраэдрической конфигурацией центров образования водородных связей составляющих молекул воды представляет собой основу для последующего рассмотрения макроструктуры водной среды.
5-3. От структурного элемента к ячейке воды.
Разнообразие зарядовых рисунков на гранях структурных элементов позволяет предложить характер их последующих взаимодействий. Реально каждый элемент окружён другими структурными элементами со взаимно комплементарным распределением зарядов (рис.11). Понятно, что в первую очередь будут взаимодействовать грани с нескомпенсированными зарядами, поскольку из 24-х центров образования водородных связей не всегда на каждой грани окажется ровно по 12 атомов кислорода и, соответственно, по 12 атомов водорода. Затем следует ожидать взаимодействия так называемых матрично поляризованных граней, когда в целом нейтральная по заряду грань имеет пространственно разделённые группировки различных по знаку зарядов. Возникает возможность своего рода зарядово-комплементарного взаимодействия, когда происходит взаимная ориентация матрично поляризованных граней противоположными по заряду группировками зарядов и, соответственно, их стабилизация за счёт энергии взаимодействия противоположных зарядов. Далее при полной компенсации подобных заряженных мест на гранях возможно проявление зарядов на остаточных боковых центрах образования водородных связей, не участвующих в формировании структурного элемента [11].
Такой предположительный порядок последующих взаимодействий структурных элементов предусматривает одно существенное положение об их количестве, как-то связанном с полным многообразием зарядовых рисунков на гранях. На этот счёт оказалось интересным сопоставление расчётных величин объёма подобных многообразий и экспериментально определяемых размеров некоторых в чём-то выделяемых на контрастно-фазовом микроскопе обособленных множеств, очень похожих на ячейки.
Наблюдаемый полумикронный размер ячеек довольно точно совпадает с размером того объёма, который занимает количество структурных элементов всех видов. Учитывая опыт предшествующего построения однозначного по геометрии стабильного структурного элемента, можно было полагать, что, несмотря на лабильно устойчивый характер последующих образований, некая детерминированность их построения всё же должна соблюдаться. Находить экспериментальные подтверждения существования различных структурных уровней ячейки в этом случае намного сложнее. Поэтому предлагаемое ниже представление о структуре ячейки получено, прежде всего, за счёт точного расчёта всех комбинаций, необходимых для компенсации вначале заряженных граней, а затем матрично поляризованных граней. Полученное в конце наших исследований экспериментальное подтверждение вытекаемои из расчетов модели ячеики и удивительно точное совпадение (до 0,2 %) количества рассчитанных и реально участвующих в образовании ячейки структурных элементов позволяет предложить полную картину структурного состояния ячейки.
Продолжение следует....
При использовании материалов гиперссылка на http://www.center-region.com/ обязательна.
