Поляк Э.А. - Методология и подходы при описании структурных особенностей нейтральной жидкой воды

Методология и подходы при описании структурных особенностей нейтральной жидкой воды

Поляк Э.А.

УрО РАН, Россия, 620219, г.Екатеринбург, ул. Первомайская, 91. E-mail: olga@prm.uran.ru

В августе 2003 г. исполнится ровно пятнадцать лет со времени опубликования в еженедельнике «Наука Урала» (НУ) в разделе «Дайджест» материала французских журналистов газеты «Монд» Жака Ива Но и Франка Нуша «Память материи». В материале с чисто французской экспансивностью сообщалось об открытии Жаком Бенвенистом (Франция) совместно с международным коллективом ученых, представляющих Израиль, Канаду и Италию, феномена, который по современной терминологии именуется «эффектом малых доз» [1-4].

Газетная публикация послужила для автора настоящих заметок побудительным мотивом к попытке использования закономерностей ступенчатой диссоциации водных растворов комплексных соединений и многоосновных кислот для характеристики структурных особенностей нейтральной жидкой воды и пояснения на этой основе упомянутого «эффекта малых доз». Подобное вмешательство выглядело в то время достаточно актуальным из-за крайне негативной реакции на открытие значительной части научной общественности, попытавшейся «закрыть» его, что называется, «на корню». Наши исследования в то время консультативно и организационно поддерживал ныне покойный академик С.В. Вонсовский. Результаты исследований нашли свое частичное отражение в небольшой монографии [5], в научных публикациях, на которые будет повод сослаться несколько ниже, а также в нескольких публикациях научно-публицистического характера на страницах НУ. В частности, можно указать на следующие: «Особые свойства воды: сенсация, фантастика» (НУ, 1989, № 21); «Особые свойства воды и экология» (НУ, 1992, № 15); «Трудная судьба эффекта» (НУ, 1994, № 20); «Есть идея, нужны время и деньги» (К разработке методики краткосрочного прогноза землетрясений, НУ, 1996, № 13); «Вынужденный» законный интерес» (Научно-организационный вклад академика С.В. Вонсовского в исследования эффекта взаимодействия жидкой воды с магнитным полем, НУ, 2001, № 3). Ряд публикаций в НУ касались проблем прикладной биофизики и биоритмологии. Здесь и в дальнейшем изложении можно отметить подтверждение важной роли средств массовой информации в освещении затрагиваемых научных проблем, постулированной в недавно вышедшем учебном пособии [6]. Однако, исследования в обозначенных выше направлениях искусственно стопорятся. Дело в том, что последние три десятка лет предпринимаются достаточно методичные попытки исключения предмета химии из числа способов характеристики структурных особенностей жидкой воды. Такие попытки обнаруживают себя, например, в достаточно спорном утверждении американских физиков Д. Эйзенберга и Б. Кауцмана [7] относительно отсутствия влияния процессов ионной диссоциации жидкой воды на ее структурные особенности. У этого спорного утверждения есть как своя научная предыстория, так и свое научное продолжение. Дело в том, что 50-60-е годы прошлого века характеризуются большими успехами в использовании рентгеновской кристаллографии и представлений о водородных связях в сочетании со структурным моделированием (на основании углов связей зарядов и размеров атомов) при установлении структурных особенностей белков и дезоксирибонуклеиновой кислоты. Для белков при использовании водородных связей была обоснована упаковка громадных белковых молекул в виде -спирали (Л. Полинг), для ДНК, огромной биомолекулы – носителя наследственных признаков, была обоснована структура двойной спирали (Д. Уотсон, Ф. Крик, М. Уилкинс, Р. Франкланд) [8]. На рубеже 50-60-х годов XX века Л. Полинг обратился к исследованиям структурных особенностей жидкой воды [9-12].

При этом несколько эклектично были сведены воедино льдоподобие, водородные связи, и подобие с газогидратами (клатратами). К концу 60-х годов здесь замаячила заманчивая перспектива передачи весьма трудоемкой процедуры перебора моделей ЭВМ. Как все, связанное с применением ЭВМ, эта перспектива была реализована с достаточно большим размахом [13], несмотря на определенные изъяны машинных моделей [14]. К изъянам относится известный произвол в выборе потенциалов действия, а также сложность учета требований молекулярно-кинетической теории и присутствия заряженных и радикальных аддуктов ступенчатой диссоциации. Отсюда и появление достаточно спорного утверждения [7], оставляющего в стороне ответ на принципиальный вопрос о том, что в большей мере должно влиять на структурные особенности нейтральной жидкой воды в плане ее генезиса: жидкая вода – это результат таяния аморфного льда или взаимодействия двух газов (водорода и кислорода), протекающего с большим энерговыделением.

Упоминавшийся выше «эффект малых доз», а также эффекты магнитной и электрохимической активации жидкой воды плохо стыкуются с результатами численного моделирования ее структурных особенностей в рамках континуальных потенциальных моделей. Так, при использовании метода Монте-Карло нелинейные эффекты в водных системах квалифицировались как эмпирические спекуляции [13]. Несколько большие возможности для отражения нелинейных эффектов в жидкой воде оставляет метод молекулярной динамики. Однако и здесь обоснование структурной неоднородности жидкой воды с использованием представлений симметрии в кристаллографическом многограннике Вороного [15] или в конформационных структурах [16] выглядит достаточно искусственным. Несмотря на это, потенциальные модели, использующие методы молекулярной динамики, особенно модны в настоящее время. При этом успехи вычислительной техники и программного ее обеспечения в решении уравнений статистической физики стимулируют достаточно курьезные предложения [17] рассматривать жидкую воду как совершенно однородный продукт, не содержащий заряженных частиц, метастабильных соединений и водородных связей. Одним словом, долой химические представления о диссоциации молекул воды и какие бы там ни было их колебательные движения. Что жидкая вода, что жидкий металл – никакой разницы. Любопытно, что с использованием тех же подходов и программ предлагается [18] устанавливать электронную структуру жидкой меди и оценивать ее физические константы. Очевидно, что для воды подобный подход с игнорированием происходящих в ней диссоциативных процессов в духе упомянутого выше утверждения [7], чреват невыявлением некоторых существенных свойств нейтральной жидкой воды. Это и происходит в действительности.

Однако таким представлениям в сфере физического континуального моделирования структурных особенностей жидкой воды в самые последние годы появилась здоровая альтернатива. В работах [19-21], выполненных под руководством директора Института биофизики клетки в Пущино чл.-корр. РАН Е.Е. Фесенко, давнего поборника реальности эффектов взаимодействия жидкой воды с электрическими и магнитными полями, предложена солитонная модель жидкой воды, в которой предполагается присутствие жидкокристаллической фазы из линейно-упорядоченных цепочек и кластеров. По мнению авторов [19], эта фаза чувствительна к воздействию низкочастотных электромагнитных излучений. Это подтверждается оценками значений диэлектрической проницаемости и конфигурационных вкладов для свободной энергии, энтропии и удельной теплоемкости. Изменение концентрации солитонов в вязанной структуре, какой является жидкая вода, определяет наличие эффекта памяти в системах с водородными связями.

Как мы видим, солитонная модель опирается в основном на физические представления и параметры. Из химических параметров используется среднее число водородных связей, приходящихся на одну молекулу жидкой воды (2,6-2,7), которое сравнивается с аналогичным параметром для льда (4). Можно отметить также индикацию эффекта взаимодействия жидкой воды с магнитными полями по химико-аналитическому поведению газогидрата ксенона, и обобщающее соображение относительно универсальной рецепторной роли процессов, протекающих в жидкой воде биологических систем при их реагировании на действие электрических и магнитных полей. Предполагается, что процессы протекают в достаточно искусственных жидкокристаллических системах, имеющих доменную структуру. Характерно, что здесь, как и для всех вышеупомянутых физических моделей жидкой воды, игнорируются реально протекающие в ней процессы ионной диссоциации, с которыми связано образование заряженных частиц и метастабильных соединений. Однако именно эти процессы стоят за колебательными движениями молекул воды. Например, еще в конце 80-х годов прошлого века было опубликовано сообщение [22] о наличии в водных растворах кислот признаков пространственного разделения зарядов на аддуктах ступенчатой диссоциации и протекания ленгмюровских плазменных колебаний, для которых характерны солитонные эффекты. Исследования, выполненные нами в 1990-2001 гг., результаты которых обобщены в монографии [5] и на протяжении десятилетия неоднократно излагались на самых различных уровнях [23-41], приводят к аналогичным выводам.

Любопытно, что образ солитонной модели жидкой воды вместе с ее рецепторной ролью в биологических системах автору настоящей статьи довелось использовать в восьмилетней давности дискуссии, развернувшейся на страницах НУ по поводу несовпадения геофизических дат магнитных бурь и обостренных метеопатических реакций на них человеческого организма*.

В частности, в заметке «Спорь не спорь, а буря будет» (НУ, 1994, № 12, с. 4), на основании исследований [23-27] удалось сформулировать разъясняющие замечания, заслуживающие дословного воспроизведения.

«…Замечание второе касается принципиальной возможности влияния гелиогеофизических и прочих космических факторов на живой организм.

Здесь мы позволим себе не согласиться с утверждением об отсутствии в живом организме достоверно установленных систем, ответственных за влияние на него названных

факторов. Такие системы в живом организме есть и представлены жидким минералом, составляющим более 50% его массы (речь идет, разумеется, о воде) и клеточных мембранах. Наши исследования показывают, что процессы ступенчатой протолитической и электрон-радикальной диссоциации в воде протекают с образованием OH-радикалов и других метастабильных соединений в режиме колебательных реакций. Эти соединения открыты влиянию магнитных полей и других гелиогеофизических факторов, и сами оказывают влияние на проницаемость клеточных мембран.

Замечание третье касается возможного подхода к качественному истолкованию физических причин несовпадения медицинских и геофизических прогнозов. По нашему мнению, колебательный характер процессов, протекающих в водных системах, имеет здесь определяющее значение. Его приблизительная модель – система из нескольких маятников, подвешенных на упругой нити. Такая система осталась в памяти со школьной скамьи. Наш учитель физики Юрий Константинович Карпинский очень любил независимо от темы урока приводить ее в действие, и класс с любопытством наблюдал замысловатые непредсказуемые траектории, выделываемые каждым из маятников при любом внешнем воздействии. Сообщишь ускорение одному, и вдруг все останавливаются. Напротив, остановишь, и все начинают раскачиваться сильнее. Нечто подобное, но с поправкой на значительно большую сложность, имеет место при любых гелиогеофизических воздействиях на любые водные системы» (конец цитаты). Дословное приведение столь большой по объему выдержки из нашей давней статьи связано с тем, что система из нескольких маятников есть не что иное, как механический солитон [42].

                                                                                                                                                         

Таким образом, автору настоящих заметок вместе с еженедельником НУ принадлежит приоритет качественного использования солитонной модели применительно к водным системам. При этом очевидно, что физико-химическим основанием для использования континуальной солитонной модели должны служить данные о процессах ступенчатой протолитической диссоциации, самопроизвольно протекающих в жидкой воде и инициированных этими процессами колебательных движениях молекул воды и образования метастабильных соединений.

*Примечание. Даты обострения метеопатических реакций уже много лет прогнозируются новосибирским медиком В.И. Хаснулиным и до недавнего времени использовались уральской кардиологической школой (Б.П. Кушелевский, Е.В. Рождественская). Автору настоящей статьи удалось показать [28], что к этим датам достаточно неожиданным образом привязан эффект взаимодействия жидкой воды с постоянным магнитным полем.

ЛИТЕРАТУРА

1. Davenas E., Beauvais F., Amara J., Oberbaum M., Robinzon B., Miadonna A., Tedeschi A., Pomeranz B., Forner P., Belon P., Sainte-Laudy J, Poitevin B., Benveniste J. Human basophil degranulation triggered by very delute antiserum against lgE//Nature, 1988. V. 333, 30 June 1988. P. 816-818.

2. Рыхлецкая О.С., Шангин-Березовский Г.Н. Репродукция вируса как показатель стимулирующего действия НДММ на клетки в культуре in vitro//Химический мутагенез в создании сортов с новыми свойствами/Под ред. И.А. Раппопорта. М.: Наука, 1989. С.210.

3. Шангин-Березовский Г.Н., Молоскин С.А., Рыхлецкая О.С. Парадоксальный эффект воздействия микродоз НДММ и ПАБК в зависимости от чувствительности подопытного материала. Там же. Стр. 243.

4. Бурлакова Е.Б., Конрадов А.А., Худяков И.В. Воздействие химических агентов в сверхмалых дозах на биологические объекты//Известия АН СССР, 1990. № 2. С.184-193.

5. Поляк Э.А. Некоторые новые закономерности ступенчатой диссоциации водных растворов. Екатеринбург: Изд. УрО РАН. 2002. 86 с.

6. Философский словарь. Учебные пособие/под ред. Ю.И. Мирошникова. Екатеринбург: Изд. УрО РАН. 2002. С. 30.

7. Эйзенберг Д., Кауцман В. Структура и свойства воды. Л.: Гидрометеоиздат, 1975. С.225-229.

8. Уотсон Джеймс Д. Двойная спираль. М.: Мир, 1969. 152 с.

9. Frank H.S., Quist A.S.//Pauling model and thermodinamic properties of water. J. Chem. Phis., 1961. V 34. P. 604.

10. Pauling L. The structure of Water – In col. Hydrogen bonding / Ed. Hadzi D. N.Y: Pergamon press, 1959. P. 1-6.

11. Pauling L. The nature of chemical bond and the structure of molecules and cristals Ithaka (N.Y.) Oxford University Press, 1963. 664 p.

12. Габуда С.П. Связанная вода. Факты и гипотезы. Новосибирск: Наука, 1982. С.97.

13. Маленков Г.Г. Структура водных систем. Модели и численный эксперимент. Автореф. Дис. д-ра химических наук. М.: ИФХ АН СССР, 1990. 50 с.

14. Крестов Г.А. Менделеевское учение о растворах и современные аспекты его развития//Журнал ВХО им Д.И. Менделеева, 1983. Т. 28. Вып. 6. С 70 (670) – 78 (678).

15. Волошин В.П., Желиговская Е.А., Маленков Г.Г., Наберухин Ю.Н. Структурная неоднородность аморфного льда низкой плотности и ее влияние на динамику молекул воды//Журнал структурной химии, 2001. Т. 42. № 5. С. 948.

16. Киров М.В. Конформационная концепция протонной неупорядоченности водных систем//Журнал структурной химии, 2001. Т. 42. № 5. С. 958.

17. Мартынов Г.А. Структура жидкости – что это такое//Журнал структурной химии, 2002. Т. 43. № 3. С. 547.

18. Митрохин Ю.С., Белаш В.П.//Атомная и электронная структура жидкой меди//Новые неорганические материалы. Второй семинар СО РАН – УрО РАН. Тезисы докладов. Екатеринбург: Институт ХТТ, 2002. С. 143.

19. Пономарев О.А., Фесенко Е.Е. Свойства жидкой воды в электрических и магнитных полях//Биофизика, 2000. Т. 45. Вып. 3. С. 389.

20. Пономарев О.А., Сусак И.П., Фесенко Е.Е., Шигаев А.С. Термодинамические свойства объемных вязанных структур//Биофизика, 2002. Т. 47. Вып. 3. С. 395.

21. Фесенко Е.Е., Попов В.И., Новиков В.В., Хуцян С.С. Структурообразование в воде при действии слабых магнитных полей и ксенона. Электронно-микроскопический анализ//Биофизика, 2002. Т. 47. Вып. 3. С. 389.

22. Балданов М.М., Танганов А.Б., Мохосоев М.В. Электропроводность водных растворов слабых кислот//Докл. АН. СССР, 1988. Т. 229. В. 4. С. 89.

23. Поляк Э.А. О структурных формах воды, не учитываемых в кинетике коррозионных процессов//Защита металлов, 1990. Т. 26. № 3. С. 382-393.

24. Поляк Э.А. О реальности влияния гелио-геофизических факторов на структурные особенности жидкой воды//Биофизика, 1991. Т. 36. Вып. 4. С. 565-568.

25. Поляк Э.А. К динамике заряженных частиц в воде//Журн. физической химии, 1994. Т. 68. № 5. С. 955-957.

26. Поляк Э.А., Матусевич В.С. Физико-химические, химико-аналитические и экологические аспекты активации водных систем/XV Менделеевский съезд по общей и прикладной химии: Тез. докл. Минск: Наука и техника, 1993. Т. 3. С. 70.

1. Поляк Э.А. Признаки сверхпроводимости и сверхтекучести в жидкой воде//Гипотеза (независимый научный журнал), 1992. № 1. С. 20.

2. Поляк Э.А. Новые условия и возможности использования эффекта магнитной активации воды//Тр. Свердл. научно-исслед. инст. химического машиностроения. Серия: Оборудование для оснащения технологических процессов. Екатеринбург: Изд-во СвердНИИХИММАШ, 1997. Вып. 3 (67). С. 136-145.

3. Поляк Э.А., Матусевич В.С. Химико-аналитические аспекты электрохимической активации водно-солевых систем в диафрагменном электролизере//Тр. Свердл. научно-исслед. инст. химического машиностроения. Серия: Оборудование для оснащения технологических производств. Екатеринбург: Изд-во СвердНИИхиммаш, 1997. Вып. 3 (67). С. 146-151.

4. Поляк Э.А., Матусевич В.С. Применение ионоселективных электродов при химико-аналитическом контроле эффекта активации водных систем//Аналитика и контроль, 1998. № 2(4). С. 37-45.

5. Поляк Э.А. Интерпретация возмущений геофизических полей по аномалиям эффекта магнитной активации воды//Тез. Российской конф. «Теория и практика интерпретации данных электромагнитных геофизических полей». Екатеринбург: УрО РАН, 1996. С. 58-60.

6. Поляк Э.А. К оценке перспективности методов краткосрочного прогноза землетрясений//Там же. С. 55-57.

7. Поляк Э.А. Место и роль воды и водных систем в формировании космогеофизических корреляций в биологических и физико-химических процессах/IV Международный пущинский симпозиум «Корреляции биологических и физико-химических процессов с космическими и гелиогеофизическими факторами»: Тез. докл. Пущино, 1996. С. 144-145.

8. Polyak E.A. Magnetic activation of the water. International Congress Wear and Hyperweak Fields and Radiations in Biology and Medicine Abstracts. St.-Peterburg, 1997. P. 268.

9. Polyak E.A. The role of water and aqueans system in the formation of space geophysical correlation in biological and physical chemical processes//XVI Mendeleev Congress on General and Applied Chemistry - Life Chemistry – Abstracts. Moscow, 1998. V. 4. P. 85-86.

10. Поляк Э..А., Матусевич В.С., Глушко Л.А. Электрохимическая активация водных систем. Некоторые компоненты химического состава католита и анолита. Алгоритмы методик химического анализа // Электрохимическая активация. Второй международный симпозиум: Тез. докл. и краткие сообщения. М.: Изд-во ВНИИИИМТ, 1999. Ч. I. С. 96-100.

11. Поляк Э.А. Потенциометрия в гальванических цепях с мембранными ионоселективными электродами и омагниченной водой в ячейке как средство физико-химического тестирования биогеофизического мониторинга по Пиккарди//Биофизика, 2001. Т. 46. Вып. 2. С. 383-384 (Деп. ВИНИТИ № 35/В 01 от 13 февраля 2001 г.)

12. Поляк Э.А. Место и роль воды и водных систем в формировании космогелиогеофизических корреляциях в биологических и физико-химических процессах/Тр. II Междунар. конгресса. Слабые и сверхслабые поля и излучения в биологии и медицине. Санкт-Петербург. 03-07. 07.2000. С. 18-20.

13. Поляк Э.А. Гелиогеофизический мониторинг по Дж. Пиккарди как возможное средство осуществления регионального сейсмического прогноза/Материалы региональной конференции «Геология и минерально-сырьевые ресурсы Европейской территории России и Урала». Кн. 2. Екатеринбург, 2000. С. 143-145.

14. Polyak E.A. Liquid water as nonlinear magnetic material. Theoretical and applied aspects. Euro-Asian Symposium «Trends in magnetism» Abstract Book Ekaterinburg, Russia, 2001. P. 347.

15. Поляк Э.А. Жидкая вода как нелинейный магнитный материал. Теоретические и прикладные аспекты. Международный крымский семинар «Космос и Биосфера»: Тез. докл. 1-6 октября 2001 г. Партенит. Крым. Украина. С. 162-163.

42. Л.А. Островский. Солитон. Физический энциклопедический словарь/Гл. ред. А.М. Прохоров. М.: Сов. энциклопедия, 1984. С. 698.