«ТЕЗИОГРАФИЯ КРОВИ И БИОЛОГИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ Под редакцией Заслуженного деятеля науки РФ, доктора медицинских наук, профессора А.А. Хадарцева Тула – 2009 80-летию Тульского государственного университета посвящается В.Н. ...»

Так итальянский математик, философ и врач Джироламо Кардано (1501–1576) попытался объяснить часто встречающиеся в природе шестигранные призматические формы кристаллов горного хрусталя тем, что они построены плотнейшими упаковками шарообразных частиц. Подобную мысль отразил немецкий математик и астроном Иоганн Кеплер (1571–1630) в трактате «О шестиугольных снежинках» (1611), где, стараясь понять причины постоянства форм снежинок в виде шестиугольных звездочек, он закладывает основы геометрии плотнейших шаровых упаковок [51]. Позже в Англии Р. Гук (1665), в Голландии Хр.

Гюйгенс (1690), а в России М. В. Ломоносов в сочинении «О рождении и природе селитры» (1749) – многократно высказывали гипотезы о строении кристаллов из плотно упакованных шаровых или эллипсоидальных частиц. М. В. Ломоносов еще до момента развития атомистической теории указывал, что шестиугольная форма кристаллов калиевой селитры вызвана плотнейшим расположением шаровых корпускул, из которых они состоят. Исаак Ньютон (1643–1727) писал о строении кристаллов в сочинении «Оптика» (1704): «...нельзя ли предположить, что при образовании... кристалла частицы не только установились в строй и ряды, застывая в правильных фигурах, но также посредством некоторой полярной способности повернули свои одинаковые стороны в одинаковом направлении». Далее он заключил: «из сцепления частиц кристалла о том, что они притягивают одна другую некоторой силой, которая очень велика при непосредственном соприкосновении и производит на малых расстояниях химические действия, но не простирается со значительным действием на большие расстояния». Французский физик Пьер Гассенди (1592–1655) впервые предположил, что в кристаллах отражается форма атомов твердого вещества, и они растут послойным наложением этих атомов. Шотландский врач и химик В. Дависсон в 1630 г. подчеркнул зависимость наружной формы выделяющихся многогранников от химического состава, а также постоянство определенной формы кристаллов для одного и того же соединения. По мнению иальянца Доменико Гуглиельмиви (1655–1710) кристаллы квасцов, часто образующие октаэдрические формы, состоят из маленьких октаэдров, расположенных параллельно друг другу и образующих жесткий каркас с пустыми промежутками между ними. Шведский химик и минералог Торберн Боргман (1735–1784) считал, что все кристаллы построены из одинаковых исходных форм [5, 22].

Французские ученые Жан Ромэ-де-Лиль (1736–1790) и Рене Жюст Гаюи (1743–1822) подтвердили закон постоянства гранных углов Н. Стенона (1669), рациональных отношений параметров. Они же ввели в науку о кристаллах идеи симметрии, ставшими основой современной кристаллографии [41]. Наблюдая за спайностью кристаллов (т.е., за сложением каждого кристалла, из совокупности мельчайших параллелепипедов, равных между собой и смежных по граням), Гаюи сделал вывод близкий к возникшей позже и теории решетчатого строения кристаллов. Такие параллелепипеды Гаюи считал «ядрами», или «интегрирующими молекулами» кристалла (рис. 1). В науку вошел закон Гаюи, согласно которому каждому химически однородному веществу соответствует группа кристаллических форм, характерная именно для данного вещества, так что одинаковость и неодинаковость двух веществ можно установить уже по форме кристаллов. Из этого закона вытекает положение о том, что кристаллическое строение вещества зависит от химического состава и что изменение химического состава влечет за собой изменение строения кристалла [5].

Рис. 1. Построение ромбододекаэдра из кубических интегрирующих Немецкий химик и кристаллограф Эйльгард Митчерлих (1794–1863) в 1819 г. открыл явление изоморфизма, а в 1821 г. – полиморфизма. «Кристаллизуя из водного раствора кислые соли фосфорной и мышьяковой кислот (KH2P04, KH2As04, NH4H2P04), он обнаружил, что различные по составу вещества, построенные, правда, из одинакового числа атомов, дают кристаллы почти одинаковой формы. Он назвал это свойство «изоморфизмом»

(равноформенностью)». Минералог И.Н. Фукс (1774–1856) в 1815 г. ввел представление о «замещающем элементе», считая, например, железо заместителем кальция в составе геленита. Э.

Митчерлих впервые ввел также понятие о группах изоморфных элементов, что в последствии привело к разработке изоморфных рядов [36]. В 1821 г. Э. Митчерлих доказал экспериментальным путем (на примере фосфорнокислого натрия) явление полиморфизма – существование различных кристаллических форм одного и того же вещества, а в 1823 г. получил моноклинную серу кристаллизацией из расплава, а затем и ромбическую серу путем ее перекристаллизации в органических растворителях. Он же установил несколько кристаллических разновидностей фосфора и пришел к убеждению о существовании нового явления, которое Гайдингер назвал «диморфизмом», «триморфизмом», «тетраморфизмом» В пятидесятых годах девятнадцатого века по предложению Я. Берцелиуса был введен термин «полиморфизм»

(многоформенность), а полиморфизм химических элементов он предложил называть аллотропией [46]. Согласно закону Э. Митчерлиха образование смешанных кристаллов (изоморфных смесей) двумя соединениями возможно лишь тогда, когда они имеют аналогичный состав, и, наоборот, из существования изоморфизма можно заключить, что откристаллизовавшиеся вещества аналогичны по составу.

В 1849 г. Т. Шерер вводит понятие сложного «полимерного» изоморфизма, имея в виду случаи замещения одного атома в кристаллической структуре несколькими другими, что много позже будет объяснено необходимостью электростатической компенсации валентности. Позже (1865, 1871) австрийский минералог Г. Чермак сформулировал понятие о гетеровалентном изоморфизме [40, 41, 42].

Это направление было развито в студенческой диссертации Дмитрия Ивановича Менделеева (1834–1907) «Изоморфизм в связи с другими отношениями кристаллической формы к составу» (1855–1856). В ней подчеркнуто, что «Труды Митчерлиха привели в одно стройное целое всю общность сведений о согласии кристаллической формы и химического состава». По Д. И.

Менделееву, «изоморфизм стал сходством форм по причине одинаковости объема атомных сфер», кроме того «многие изоморфные тела имеют близкие удельные объемы только потому, что они сходственны между собой (по составу и свойствам)»

(положение 18 магистерской диссертации «Об удельных объемах»). Важным его наблюдением явилось и то, что «при изоморфном, или ему подобном, замещении удельный объем изменяется очень мало» (положение 29).

Луи Пастер (1822–1893) провел ряд исследований в области диморфизма и изоморфизма. В 1847 г. он экспериментально получил полиморфные разновидности окислов мышьяка и сурьмы и доказал их изоморфизм. В 1848 г. Пастер опубликовал свою работу «Об отношении, которое может существовать между кристаллической формой и химическим составом, а также о причине вращения плоскости поляризации». В них изложено крупнейшее открытие Пастера о молекулярной дисимметрии, которое он сделал, изучая правые и левые кристаллы винной кислоты [47]. Он объяснил структурную природу изомерии молекул, а также обнаружил принципиальное различие в дисимметрии кристаллов неорганического и органического происхождения: первые всегда имеют равное количество правых и левых форм, вторые – преимущественно одну из форм (обычно – левую).

Эти открытия существенно изменили современные взгляды на законы Гаюи о том, что каждому химическому веществу соответствует характерная только для него кристаллическая форма.

В 1836 г. было описано явление эпитаксии – нарастание кубических кристаллов йодистого калия на плоскости спайности слюды. М.Л. Франкенгейм (1835) четко сформулировал два положения: 1) твердое тело состоит из частиц, отделенных друг от друга промежутками; 2) в кристаллических телах частицы расположены полностью симметрично друг относительно друга.

Французский минералог и кристаллограф Габриэль Делафос (1796–1878) ввел представление о кристаллических решетках. В 1850 г. французский кристаллограф Огюст Браве (1811–1863) с узлами этих решеток связал центры молекул кристаллических тел. Он ввел представление о ретикулярной плотности грани как о числе узлов, содержащихся в единице ее поверхности, а также сформулировал закон, носящий его имя: грани, наиболее часто образующиеся на кристалле в процессе кристаллизации, обладают наиболее значительными ретикулярными плотностями.

Благодаря работам этого ученого развилось направление исследований сингоний. Сингония (от греч., «согласно, вместе», и, «угол» – дословно «сходноугольность») – одно из подразделений кристаллов по признаку симметрии их элементарной ячейки при одинаковых системах координатных осей. Существует 6 различных сингоний, которые разделены на три (низшую, среднюю и высшую) категории, в которых рассматривается 230 групп кристаллов [49].

В 1890 г. великий русский кристаллограф Евграф Степанович Федоров (1853–1919) и почти одновременно и независимо от него немецкий математик Артур Шенфлис (1853–1928) вывели 230 пространственных групп – 230 геометрических законов, которым должно подчиняться расположение частиц в кристаллических структурах [8]. Через два десятилетия с появлением рентгеноструктурного анализа были подтверждены основные положения федоровской теории структуры кристаллов. В г. выходит «Физическая химия кристаллов» Андрея Еремеевича Арцруни (1847–1898), где Арцруни установил изоморфные ряды химических элементов, следуя по пути, намеченному ранее Э.

Митчерлихом и Д.И. Менделеевым [52]. По мнению В.И. Вернадского, «эта работа является монументальным памятником совершенно исключительного владения печатным материалом».

В период своей работы в Московском университете, с 1890 по 1911 г., В.И. Вернадский (1863–1945) при вступлении в 1890 г. в должность приват-доцента произнес речь «О полиморфизме как всеобщем свойстве материи». В работах 1908–1910 гг. он вслед за П. Кюри обращает внимание на роль поверхностной энергии кристалла [2]. В 1910 г. В.И. Вернадский выступает со знаменитой речью «О парагенезисе химических элементов», в которой дает свои ряды изоморфных элементов, обращая особое внимание на их зависимость от температуры и давления [36].

Новую эпоху в изучении строения кристаллического вещества открыло обнаружение в 1912 г. немецким физиком Максом Лауэ (1879–1960) и учениками А. Зоммерфельда П. Книппингом и В. Фридрихом дифракции рентгеновских лучей кристаллической «решёткой». В 1912 г. Вильям Лоуренс Брэгг (1890–1972) в Англии установил, что симметрия рентгеновского снимка соответствует симметрии кристалла. Был опубликован закон отражения рентгеновских лучей атомными плоскостями, известный теперь как формула Брэгга–Вульфа [42]. Создатель первого рентгеновского спектрометра, отец и соавтор В.Л. Брэгга, Вильям Генри Брэгг (1862–1942), смог сказать, что теперь «стала доступной рассмотрению архитектура кристаллов. В.Л. Брэгг предложил первую систему эффективных радиусов атомов и возродил электрохимическую теорию Я. Берцелиуса (1818), предложив модель, согласно которой электронные оболочки атомов приобретают в кристаллах конфигурацию соседнего инертного газа и при этом электроположительные атомы отдают свои валентные электроны, заряжаясь положительно, а электроотрицательные атомы принимают их, заряжаясь отрицательно.

Поэтому можно было ожидать, что анионы должны быть крупнее катионов. В 1927 г. американский химик и кристаллохимик Лайнус Полинг вывел систему радиусов ионов теоретически на основе квантовой механики атома и рентгеноструктурных данных [30]. Эффективные ионные радиусы описывают ионы как жесткие недеформируемые сферы, силовое поле вокруг которых имеет центральную симметрию. Если ион находится в позиции, не обладающей центром симметрии, или подвергается односторонним внешним воздействиям, то должна происходить деформация электронных оболочек иона. К. Фаянс в 1927 г. указал на укорочение межатомных расстояний при сильной поляризуемости ионов; а Ф. Гунд объяснил образование молекулярных и слоистых структур у соединений с сильно поляризующимся анионом понижением энергии решетки за счет энергии поляризации аниона, находящегося в таких структурах в низкосимметричном окружении [53].

В.М. Гольдшмидт в своих работах (1925–1932) на основе концепции ионных радиусов установил правила распределения химических элементов в процессах кристаллизации, а также дал формулировку основного закона кристаллохимии: структура кристалла определяется числом его структурных единиц, соотношением их размеров и их поляризационными свойствами. В 1928 г. Л. Полинг вводит принцип максимального перекрывания валентных орбиталей, представление о валентном состоянии атома и гибридизации его валентных орбиталей. Теоретические построения В.М. Гольдшмидта и Л. Полинга базировались на энергетическом фундаменте, на принципе минимума потенциальной энергии сцепления частиц в кристалле [5, 30]. Энергетический подход к структуре и свойствам кристалла получил развитие в кристаллохимических трудах геохимика и минералога А.Е. Ферсмана (1883–1945). Он разделил энергию решетки на аддитивные характеристики ионов – энергетические коэффициенты. Ферсман указал на особое значение диагональных направлений в таблице Менделеева, вдоль которых относительно мало изменяются эффективные размеры атомов и ионов. Это положение известно сейчас под названием «закона диагоналей Гольдшмидта–Ферсмана». А.Е. Ферсман заключил, что «представление о сферических полях действия атомов и ионов есть лишь первое приближение к истине; по всей вероятности, эти поля частично полярны и анизотропны, подобно самой кристаллической постройке, и, вероятно, в будущем придется говорить о стереохимии не только соединений, но и самих атомов» [49, 55].

Метод кристаллизации как способ исследования стал бурно развиваться с начала 19 века, когда Т.Е. Ловиц (1757–1804) предложил способ «выветренных налетов солей». Свыше лет назад член Российской академии наук Т.Е. Ловиц, впервые приготовивший ледяную уксусную кислоту, показал, что она, будучи охлаждена значительно ниже температуры плавления (16,7оС), остается жидкой неопределенно долго, но стоит внести затравку (кристаллы той же уксусной кислоты), как происходит затвердевание массы вследствие быстрой массовой кристаллизации. В 1798 г., занимаясь изучением кристаллизации растворов солей, Ловиц применил микроскоп и пришел к выводу, что микроскопическое исследование формы кристаллов может быть использовано для быстрого анализа солей. Тем самым он положил начало весьма ценному микрохимическому анализу, получившему широкое распространение лишь через 100 лет после его вывода. Открытия Ловица в области процессов кристаллизации, которые до сих пор являются предметом внимательного изучения, изложенные им еще в 1794 г. в статье «Заметки о кристаллизации солей и сообщение о надежном средстве получения правильных кристаллов», впоследствии приписывались различным иностранным ученым [58].

Кристаллография определила своим предметом – кристаллы, а специфическим методом – оценку симметрии. Эта наука опиралась на математику, физику и химию, в 20 веке накопила данные об общности ряда законов кристаллизации, свойственных для органического и неорганического мира. Начались широкие исследования неорганических кристаллических и жидкокристаллических материалов, являющихся упрощенными моделями органического мира [13,57].

В 1888 г. О. Леманом были открыты структуры жидких кристаллов (ЖК) некоторых органических веществ, молекулы в которых расположены не хаотично, а частично упорядочены.

ЖК стали интенсивно исследоваться и уже накоплен существенный запас знаний в понимание законов строения этих важных для современной технологии, биологии и физиологии веществ. БЖ человеческого организма, как и любого другого животного организма обладают основными свойствами ЖК, что проявляется при их исследовании различными способами, включая тезиографические. Очевидно, что сегодня прогресс и развитие ряда отраслей науки и техники, биологии, физиологии и медицины немыслимы без развития исследований в области ЖК. Функционирование клеток крови, клеточных мембран и ДНК, передача нервных импульсов, работа мышц, формирование различных патологических процессов – далеко не полный перечень процессов, протекающих в жидкокристаллической самоорганизующейся фазе, обладающей высокой молекулярной подвижностью. Основные представления о текстурах ЖК ныне получают из исследований при помощи поляризационного микроскопа. Но в эру высоких технологий возникают вопросы, связанные со структурными особенностями ЖК на более глубоком уровне, то есть на уровне наноразмеров. Методом исследования на этом уровне становится сканирующая зондовая микроскопия.

Проведенные исследования с использованием этого вида микроскопии и современного математического анализа (1D вейвлетпреобразования и др.) позволили изучить кластерные структуры различных ЖК, имеющих различную конфигурацию.

Свойства ЖК обусловили формирование специфичной по строению фации крови и других БЖ – своеобразной стеклообразной структуры. Оказалось, что структура биомолекул в стеклообразном состоянии не всегда является адекватной структуре исходного ЖК. Это зависит от условий фазового перехода, в результате которого кристаллизация может сопровождаться появлением дефектных структур, что определяет стеклообразное состояние как неравновесное [23]. Получило подтверждение предсказание Л.Д. Ландау и Е.М. Лифшица, что в таких, практически двумерных слоях, образуется множество разнообразных нанокластеров, имеющих правильную геометрию близкую к геометрии твердых кристаллов: хат-структуры, пирамиды и рафт-структуры, конусы и пулы, причем в пулах и рафтструктурах могут спонтанно возникать модулированные страйпструктуры и точечные топологические дефекты (рис. 2).

Рис. 2. Примеры нанокластеров, наблюдаемых в нанослоях ЖК:

а) хат-кластер и его разрез (слева); б) двухмерное изображение рафт-, хат- и конусообразных кластеров и нанопирамид;

в) реальная ориентация различных кластеров на подложке ТЗГ БЖ представляет собой комплексную структуру – биокристаллоиды (или кристаллиты, по определению Финеана).

Многочисленными отечественными исследованиями установлено, что это химеры из кристаллов и околокристаллической среды, а также собственно кристаллы солей биологических сред, сформировавшихся после дегидратации БЖ вследствие испарения воды [1]. В начале 21 века было показано, что многокомпонентные БЖ, как и растворы солей в процессе дегидратации претерпевают ряд закономерных изменений по типу информационных паттернов самоорганизации и структурирования.

Начиная с сороковых годов прошлого столетия появились попытки использовать тезиографию крови для диагностики заболеваний. Болен впервые установил различия в ТЗГ крови здоровых людей и больных раком. Такое исследование получило название теста Болена [31].

A. Selawri-Lippold в 1952 г. были проведены тезиографические исследования цельной крови 500 больных раком разной локализации. В 85 % случаев был установлен ряд однотипных канцероматозных изменений в картине кристаллов в виде характерных поперечных форм и наслоений одних кристаллических форм на другие. Автор полагал, что с помощью данного метода возможны не только определение канцероматозного процесса, но и диагностика органной локализации рака [12].

Дальнейшие исследования кристаллизация БЖ, показали, что тезиография является неким ключом изменчивых связей между самими биологическими средами, органами и системами организма. Однако глубокое изучение механизмов кристаллизации БЖ до сих пор сдерживается отсутствием систематизации и одних и тех же элементов, формирующихся в ТЗГ-препаратах. В медицинской и биологической практике при изучении сыворотки крови людей до сих пор можно встретить описания основных и дополнительных структур кристаллизации в виде морщин, бляшек, языков, ядер, спиралей и т.д. Во многих публикациях медицинские и биологические описания кристаллизации БЖ нередко страдают аллегоричностью, тогда как физики и кристаллографы давно пользуются в отношении кристаллизации из раствора установившимися терминами и научными дефинициями [20]. Тезиографический метод обладает значительной чувствительностью и поэтому нашел широкое применение сначала в практике судебно-химического анализа, а затем и в медицине.

В начале XIX века выдающимся немецким ученымфилософом Р.Штейнером впервые было предложено использовать способность некоторых водных растворов к образованию кристаллов для оценки энергоинформационной субстанции биологических объектов, в частности, «эфирного тела» растений. Данная методика была детально разработана Е. Pfeifer.

Опытный наблюдатель при визуальной оценке образованных кристаллов мог сказать, к какому типу вещества принадлежит исследуемая субстанция, добавленная к раствору соли, и даже сказать, из какой части растения она взята [12]. Визуальное исследование и описание свойств кристаллов БЖ – тезиографические исследования – в последующие годы привлекли внимание большого числа биологов и медиков как перспективное направление для выявления и идентификации заболеваний человека, животных и растений [10]. Начиная с 1972 г. в течение почти лет в нашей группе врачей и научных работников проводились экспериментальные исследования специфических тезиографических структур различных биологических жидкостей [43].

Были установлены типичные ТЗГ для БЖ различных видов животных и человека [15, 17]. Показана высокая чувствительность СТС плазмы и сывортки крови биообъектов к воздействию ряда физических и химических факторов [15, 16].

В настоящее время интерес к тезиографическим исследованиям БЖ проявляют не только биологи, но и представители точных и фундаментальных наук, что обусловлено широкими перспективами разработки новых способов диагностики заболеваний человека и животных, получения новых материалов, необходимых промышленности, новыми перспективами исследования закономерностей наномира. Стало понятно, что при кристаллизации самых разных БЖ реализуются сложные процессы, в числе которых – высокоселективный химический процесс, являющийся проявлением одной из эффективных природных нанотехнологий (кристаллизации–растворения). Появление и развитие микроскопии, а, в последние десятилетия, электроннооптических аналитических систем открыло новые возможности оценки кристаллизации БЖ в препаратах-подложках.

Характерной чертой ТЗГ являются дендриты – кристаллы, напоминающие ветки деревьев или папортника. Процесс дендритной кристаллизации солей изучали А.В. Шубников (1947), Д.Д. Саратовкин (1953), Д.К. Чернов (1954), Ю.А. Тильман (1964). Большое внимание отечественные и зарубежные ученые уделяют кристаллооптическому анализу фармацевтических препаратов: алкалоидов, антибиотиков, барбитуратов, антигистаминных средств и др. [66]. С конца прошлого века стали исследоваться механизмы образования дендритов [34, 44] с привлечением для моделирования их роста стохастических (не детерминированных) «случайных» процессов, по типу «броуновских фракталов». Оказалось, что в природных и «рукотоворных» нанотехнологиях фракталы играют важную роль, поскольку из-за своей иерархической самоорганизации многие наносистемы обладают нецелочисленной размерностью, то есть являются по своей геометрической, физико-химической или функциональной природе фракталами. Получив примеры химических фрактальных систем ученые научились синтезировать искусственные молекулы регулярных и жидкокристаллических дендримеров (от dendritic – ветвящийся), которые обладают строго определённой молекулярной массой, состоят из суперразветвлённых молекул, имеют особые гидродинамические, электрические и информационные свойства. Выяснено, что универсальный принцип фрактальности (самоподобной, скейлинговой структуры) является отражением иерархичности построения многочисленных наносистем из водных и других растворов. Это уже в конце двадцатого века дало возможность не только получать дендритные фракталы различных неметаллов и металлов, но и использовать запечатленную в них информацию на практике (пример – энерго-информационные матрицы на основе кристаллов меди (рис. 3).

Рис. 3. Примеры дендритных кристаллов (фракталов) А Б А – дендритный фрактал, полученный электроосаждением меди из раствора сульфата меди (фото из http://www.nanometer.ru/) Б – энергоинформационная матрица (гармонизатор В.А. Муромцева) В это же время обнаружено, что флуктуационный характер процесса кристаллизации и механизма роста граней не позволяет быть абсолютно гладкой границе кристаллов с переохлажденным раствором. Она, наоборот, характеризуется наличием некоторых выступов. Кристаллизация сопровождается выделением тепла, а у кончика этого выступа температура ниже, а степень пересыщения выше, чем у основания дендрита. Поэтому выступ удлиняется и становится заостренным. Рост плоскости у его основания в это время тормозится из-за выделения скрытой теплоты таким эллипсоидом. Поэтому другие остроконечные выступы формируются на расстояниях, определяемых радиусом зоны действия первого отростка. Эта закономерность много раз повторяется, и в результате вырастают ряды остроконечных отростков. Так как их боковой рост задерживается благодаря выделению скрытой теплоты плавления в соседних отростках, они распространяются преимущественно перпендикулярно поверхности раздела. Подобным образом объяснялось ветвление дендритов и образование его фрактальной структуры. Первично образовавшийся выступ находится в зоне температурной инверсии, поэтому создается неустойчивость и неравномерность радиального роста приблизительно цилиндрического (а на большом увеличении – конического) первичного выступа. Благодаря этому через промежутки, длина которых определяется количеством выделяющейся в ответвлениях скрытой теплоты, возникают ряды новых отростков. Процесс расчленения продолжается до тех пор, пока переохлаждение не станет недостаточным для развития неровностей на поверхности раздела в ответвляющие отростки.

Изучение процесса образования кристаллизационных структур стало использоваться в клинической медицине для объективной оценки эффективности применяемого лечения и для уточнения патогенетической сущности заболевания. Вначале внимание врачей было приковано к процессу кристаллизации простым кристаллообразующим веществам (хлорид меди, сернокислый и солянокислый аммоний). Данные вещества выполняют функцию центров, вокруг которых происходит кристаллизация. Ее характер определяется химическим составом, физическими свойствами БЖ, которые могут изменяться в весьма широких пределах при разнообразных физиологических сдвигах и особенно патологических состояниях организма [66]. В настоящее время учеными разных специальностей рассматриваются и другие механизмы образования дендритов в растворах и БЖ, включая субатомарный и атомарный уровень организации материи.

В медико-биологических исследованиях российских ученых тезиографические исследования крови и других БЖ тесно переплетаются с кристаллохимическими и кристаллофизическими исследованиями сложнокомпонентных структур. Физики, химики, биологи, специалисты в области микроскопии, спектрофотометрии и других видов анализа материалов решают проблемы самоорганизации ТЗГ, вихреобразования в них, формирования дендритных и истинных кристаллов, кристаллоидных образований, оценивают пределы морфологической устойчивости СТС, формирующихся из сложных растворов. Большой интерес проявляется к влиянию внешних факторов среды на характер фрактализации и самоорганизации ТЗГ, на их изменения при различных заболеваниях человека, животных и растений [39, 54, 59]. Большое внимание уделяется механизмам влияния воды на морфологию ТЗГ, учитывая ее участие в процессах растворения, кристаллизации и передачи специфической информации о внешних воздействиях в биологических жидкостях и тканях [7, 17, 25], включая электромагнитные поля и другие факторы внешней среды [18, 48].

1. Белевитин А.Б., Кидалов В.Н., Макеев Б.Л., Чечеткин А.В. и др.

Возможности тезиографии препаратов крови и других биологических жидкостей // Вестник Международной академии.– № 12 (30).– СПб, 2008.– С. 33–47.

2. Вернадский В.И. Андрей Еремеевич Арцруни // Вернадский В.И. Очерки и речи. – П., 1922.

3. Вернадский В.И. Основы кристаллографии. – М., 1903.– 345 с.

4. Гаврильчак И.Н., Игнатьев В.В., Кидалов В.Н, Рымкевич П.П, Соловьев В.Н., Хадарцев А.А. О формообразовании эритроцитов в потоке крови // ВНМТ.– 2006.– Т. 13, № 1.– С. 6–9.

5. Гольдшмидт В.М. Кристаллохимия.– Л., 1937.– 60 с.

6. Гирфанова Ф.М. Исследование термодинамически стабильных состояний в тонких пленках нематического жидкого кристалла методом атомно-силовой микроскопии: Автореф. дис. … к.ф-м.н.– Уфа, 2007.– 24 с.

7. Гирфанова Ф.М., Мальцев И.С., Чувыров А.Н. Топологические дефекты в нанопулах НЖК // Сб. тез. Студенческой научной конференции.– Уфа: РИО БашГУ, 2007.– С. 43.

8. Евграф Степанович Федоров. Переписка. Неизданные и малоизвестные работы.– М.: Наука, 1991.– 319 с.

9. Егоров-Тисменко Е.К. Кристаллография и кристаллохимия.– М.: МО РФ, КД Университ, 2006.– 592 с.

10. Жданова О.Б., Мартусевич А.К. Кристаллографические методы исследования биожидкостей в подборе гомеопатических препаратов при лечении гельминтозов мелких животных: Методические указания.– Киров: Вятская ГСХА, 2006.– 43 с.

11. Иванов В.Н. Словарь-справочник по литейному производству.– М.: Машиностроение, 1990.– 384 с.

12. Карачунский А.И. Острый лимфобластный лейкоз у детей.

Лекции по актуальным проблемам педиатрии / Под редакцией В.Ф.

Демина, С.О. Ключникова.– Москва, РГМУ, 2000.– С. 245.

13. Кафаров В.В. Системный анализ процессов химической технологии. Процессы массовой кристаллизации из растворов и газовой фазы.– М., 1983.– 369 с.

14. Калликштейн Д.Б., Мороз Л.А., Черняков В.Л. Значение тезиографического метода исследования мочи // Лабораторное дело.– 1981.– Т. 32.– С. 79–81.

15. Кидалов В.Н., Лысак В.Ф., Бубнов В.А. Видовые особенности тезиограммы сыворотки крови человека и лабораторных животных // Проблемы донозологической гигиенической диагностики: Матер. Науч. конф. (23–25 мая 1989).– Л.: АН СССР: Наука, 1989.– С. 76–78.

16. Кидалов В.Н., Лысак В.Ф. Способ оценки тяжести интоксикации этанолом по тезиограмме белков сыворотки крови // Изобретательство и рационализация в медицине и медицинской промышленности: Тез. докл. конф.– Л.: Лен.обл. совет ВОИР и др., 1989.– С. 54–57.

17. Кидалов В.Н., Лысак В.Ф. Новый способ оценки тезиограммы биологических жидкостей в эксперименте // Усовершенствование методов, аппаратуры, применяемых в учебном процессе. Медикобиологических исследованиях и клинической практике: Сборник изобретений и рац. предложений.– Л.: ВМедА, 1989.– Вып. 20.– С. 66.

18. Кидалов В.Н., Макеев Б.Л. Способ определения индивидуальной магниточувствительности человека // Усовершенствование методов, аппаратуры, применяемых в учебном процессе. Медикобиологических исследованиях и клинической практике: Сборник изобретений и рац. предложений.– Л.: ВМедА, 1995.– Вып. 26.– С. 42.

19. Кидалов В.Н., Муромцев В.А., Куликов В.Е.Информационное значение тезиографических исследований биологических жидкостей // Международный информационный бюллетень: «Международная академия».– 1999.– № 10–12.– С. 104–107.

20. Кидалов В.Н., Хадарцев А.А., Багаутдинов Ш.М., Чечеткин А.В. Постоянство непостоянного в тезиограммах препаратов крови и стандартизация исследований кристаллизации биологических жидкостей) // Вестник новых медицинских технологий.– 2008.– Т. ХV, № 4.– С. 9–15.

21. Кидяров Б.И. Кинетика образования кристаллов из жидкой фазы.– Новосибирск, 1979.– 187 с.

22. Китайгородский А.И. Органическая кристаллохимия.– М.:

Изд-во АН СССР, 1955.– 588 с.

23. Куватов З.Х., Гирфанова Ф.М. АСМ – исследования холестерического жидкого кристалла в стеклообразном состоянии // Вестник БашГУ.– Уфа, 2005.– № 2.– С. 27–29.

24. Ловиц Т.Е. Показание нового способа испытывать соли // Технологический журнал.– 1804.– Т. 1.– часть III.– С. 23–41.

25. Лосев К.С. Вода.– Л.: Гидрометеоиздат, 1989.– 272 с.

26. Мелихов И.В., Меркулова М.С. Сокристаллизация.– М., 1975.– 212 с.

27. Мецлер Д. Биохимия. Химические реакции в живой клетке.– М.: Мир, 1980.– Том 1.– 318 с.

28. Несмеянов Н.А., Несмеянов И.А., Несмеянов А.А. Свойство клеточных структур перемещать растворы окружающей среды // Диплом на открытие № 316.– М., РАЕН, 2006.

29. Нефедов Е.И., Протопопов А.А., Хадарцев А.А. и др. Биофизика полей и излучений и биоинформатика. Ч. 1. Физикобиологические основы информационных процессов в живом веществе.

Под ред. А.А. Яшина. Тула: Изд-во Тульск. гос. ун-та, 1998. – 333 с.

30. Полинг Л. Общая химия.– М., 1974.– 845 с.

31. Сергель О.С., Адамян А.А., Качков А.П. О значении капли Болена в диагностике рака легкого // Экспериментальная хирургия и анестезиология.– 1970.– № 3.– С. 12–13.

32. Тарусинов Г.А. Кристаллографическое исследование мочи в диагностике идифференциальной диагностике диффузных заболеваний соединительной ткани // Педиатрия.– 1994.– № 1.– С. 55–58.

33. Тодес О.М., Себалло В.А., Гольцикер А.Д. Массовая кристаллизация из растворов.– Л., 1984.– 192 с.

34. Третьяков Ю.Д. Дендриты, фракталы и материалы // СОЖ.– 1998.– № 11.– С. 96–102.

35. Урусов В.С. Теоретическая кристаллохимия.– М.: Изд-во МГУ, 1987.– 275 с.

36. Урусов В.С. Современный взгляд на значение ранних работ В.И. Вернадского по кристаллографии и кристаллохимии // Геохимия.– 1983.– № 3.– С. 323–333.

37. Флинт Е.Е. Начала кристаллографии.– М., 1952.– 224 с.

38. Хадарцев А.А., Купеев В.Г., Зилов В.Г., Морозов В.Н., Тутаева Е.С. Диагностические и лечебно-восстановительные технологии при сочетанной патологии внутренних органов и систем: Монография / Под ред. А.А. Хадарцева.– Тула: Тульский полиграфист, 2003.– 172 с.

39. Шабалин В.Н., Шатохина С.Н., Шумский В.М. К истории кристаллографических исследований в медицине // Кристаллографические методы исследования в медицине: Сборник научных трудов 1 Всерос.

науч.-практ. конференции.– М.: МОНИКИ, 1997.– С. 7–11.

40. Шафрановский И.И. История кристаллографии с древнейших времен до начала XIX столетия.– Л.: Наука, Ленингр. отд-ние, 1978.– 41. Шафрановский И.И. История кристаллографии, XIX век.– Л., 1980.– 320 с.

42. Шубников А.В. У истоков кристаллографии.– М., 1973.– 51 с.

43. Якименко Б.И., Кидалов В.Н., Борисов В.А., Гончар В.И. и др.

О возможности регистрации иммунологических процессов с помощью тезиографии // Актуальные вопросы иммунодиагностики и иммунорегуляции.– Таллин, 1982.– С. 102–103.

44. Tomalia D.A. Dendrimer Molecules // Sci. Amer. 1995. May. Р.

42 – 46.

45. http://cryst.geol.msu.ru/entrant/ 46. http://arrt.ru/page.php?id=19527&i= 47. http://www.gamaleya.ru/content/lib/achievement_history/short_history/ 48. http://him.1september.ru/articlef.php?ID= 49. http://ru.wikipedia.org/ 50. http://arrt.ru/page.php?id=19527&i= 51. http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D1%80%D0%B8%D1.

52. http://encbook.ru/content104480/ 53. http://www.niistali.ru/article/system.pdf 54. http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%98%D0%B7%D0%BE%D 55. http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_biography/ 56. http://cryst.geol.msu.ru/entrant/ 57. http://www.scenar.com.ru/science/sborniki/pdf/shac_8.pdf.

58. http://him.1september.ru/articlef.php?ID= 59. http://www.wikiznanie.ru/ru-wz/index.php 60. http://www.vehi.net/brokgauz/all/001/1903.shtml 61. http://www.001.help-rus-student.ru/text/155.htm 62. http://ru.wikipedia.org/wiki 63. http://www.edudic.ru/bes/72324/ 64. http://felixfelix.mylivepage.ru/forum/40/ 65. http://zahav.elementy.ru/trefil/21105?context= 66. http://www.icompas.ru/compas/kristallografia/#mod_

РОЛЬ ВОДЫ В ОРГАНИЗМЕ, ПРОЦЕССАХ

КРИСТАЛЛИЗАЦИИ И ФОРМИРОВАНИИ

ТЕЗИОГРАММ БИОЛОГИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ

Вода имеет большое значение в происхождении и жизни растений, животных и человека. Люди в течение всей жизни пользуются различными источниками питьевой воды. Каждый минеральный источник имеет свой собственный состав воды, отличается по запаху и кислотно-щелочному балансу. Вода ряда источников полезна при заболеваниях желудочно-кишечного тракта, суставов, сосудистой, мочевыделительной и других систем. С позиций пользы для здоровья природная вода с повышенным содержанием минеральных компонентов классифицируется на четыре группы: минеральная лечебная с общей минерализацией более 8 г/л; минеральные лечебно-столовые воды с общей минерализацией 2–8 г/л; минеральные столовые воды с минерализацией 1–2 г/л и столовые воды с минерализацией менее 1 г/л [22].

Вода составляет примерно 3/4 биомассы Земли, являясь самым простым химическим соединением, входящим в состав живых организмов. Около 2000 лет тому назад Авиценна пришёл к выводу о том, что многие болезни связаны с состоянием воды, которую потребляет человек. По данным ВОЗ, около 80 % всех заболеваний имеют связь с употреблением некачественной питьевой воды. В развивающемся кризисе взаимоотношения человеческого сообщества и природной среды все большее значение приобретает истощение и загрязнение пресной воды, являющейся основой жизни на Земле. Миллионы людей страдают от недостатка качественной питьевой воды и от ее загрязнения.

Земля становится «планетой оскверненных вод». Загрязняя реки, человек загрязняет и моря. В океанах концентрируется все, что извлекает из недр Земли и от чего потом стремится избавиться современное общество. Накапливаются негативные изменения Мирового океана – сложной сбалансированной системы, во многих отношениях определяющей единство геофизической среды нашей планеты. В океан стекают отходы жизнедеятельности современных производств. Стихийное водопользование в настоящее время тесно переплетено с проблемами экологии, экономики, социологии и культуры и становится ключевой проблемой современности [4, 10, 12].

Для настоящей книги определенный интерес представляет распределение в организме и функции воды, включая функцию растворения и кристаллизации. Вода составляет большую часть массы человека, а эмбрион состоит из воды на 95 %. Ткани теряют воду с возрастом. Содержание воды в различных тканях распределяется следующим образом: легкие, сердце и почки (80 %), скелетная мускулатура и мозг (75 %), кожа и печень (70 %), кости (20 %), жировая ткань (10 %). Отсюда следует, что у людей с преобладанием мышечной ткани над жировой, в организме содержится больше воды. В целом, у худых людей меньше жира и больше воды. У мужчин на воду приходится 60 %, у женщин – 50 % от массы тела. У пожилых людей больше жира и меньше мышц. В среднем в организме мужчин и женщин старше 60 лет содержится соответственно 50 % и 45 % воды.

Общее содержание воды в организме включает воду, находящуюся внутри и вне клеток. Общее содержание воды составляет 60 % массы тела, а клеточной и внутриклеточной жидкости – соответственно 40 % и 20 % массы тела. Внутриклеточная жидкость состоит как из интерстициальной (15 %), так и из внутрисосудистой (5 %) воды. Таким образом, у мужчины весом 70 кг общий объем воды – 42 л, клеточной жидкости – 28 л и внутриклеточной жидкости – 14 л. Интерстициальная вода составляет 10,5 л и внутрисосудистая (плазма крови) – 3,5 л. Следовательно, две трети общего объема воды составляет клеточная жидкость и одна треть – внутриклеточная жидкость. В норме плазма крови состоит на 93 % из воды и на 7 % – из белков и липидов [23]. Бедны водой кости (20–30 %) и особенно жировая ткань (10–12 %). Для клеток организма вода представляет собой среду существования, поскольку в БЖ протекают все основные химические и биохимические процессы. В этих процессах велика роль воды как растворителя. У наземных животных не выражена способность запасать воду, хотя запас её все же существует в форме жиров, которые при окислении распадаются до воды и диоксида углерода с выделением энергии. Эта метаболическая вода способна поддерживать водный обмен некоторых обитателей пустыни, верблюдов, коз, овец в течение нескольких дней [18]. Ежесуточный обмен воды, потребляемой человеком 2,5–3,0 л.

Для здоровья опасен избыток и недостаток воды. Так при потере воды на 5–8 % больше нормы, возникает мышечная слабость, головокружение, головная боль и др. явления. Потеря 10 % жидкости приводит к патологии обезвоживания, а потеря 15– % воды смертельно опасна. Локальный недостаток воды может вызывать в соответствующей анатомической структуре боль, сопровождается болевыми ощущениями от местного избытка воды (отёк). У животных и человека общий объем потребления жидкости регулируется сложными системами нейрогуморального контроля и особыми осмотическими рецепторами, расположенными в гипоталамусе, печени, сосудах мозга и других органах. К появлению жажды приводит повышение осмотического давления крови. Жажда нарастает по мере роста в ней концентрации ионов. Важный элемент водного обмена – секреция слюны. Высыхание ротовой полости – четкий сигнал дефицита воды. Животные часто пьют холодную воду природных водоемов, но ее всасывание в кровь происходит только после того, как температура воды в желудке и в кишечнике сравняется с температурой крови, на что уходит 5–10 минут. Рефлекторная деятельность нервной и эндокринной систем защищает организм от недостатка и избытка воды [4, 12].

Организм здорового человека поддерживает стабильный водно-солевой гомеостаз. Условия поддержания водно-солевого гомеостаза: 1) постоянство внутриклеточных и внеклеточных объемов, которое поддерживается водой и электролитами (Na K Cl P и белков); 2) постоянство рН. Постоянство внутренней среды включает понятия: изоволемия – постоянство объема внеклеточной жидкости, изоосмия – постоянство осмотического давления и изогидрия – активной реакции среды (рН). Поддержание рН обеспечивается буферными системами: внеклеточными (гемоглобиновая и бикарбонатная), внутриклеточными (фосфатная и белковая), физиологическими (дыхательная, выделительная и др.). В организме вода распределяется неравномерно: 1,27 % приходится на внеклеточное пространство: экстравазальная жидкость составляет 9–21 %, жидкость соединительной ткани – 4–5 %, костной – 4–5 %, интерстициальная – 10–12 %); интравазальная жидкость – 5–7 %, (жидкость кровеносных сосудов – 4–5 %, лимфатических сосудов – 1–2 %). На трансцеллюлярную жидкость приходится 1–2 % (жидкость плевральной, брюшной полости, суставов, ликвор, секреты желез). Вся внутриклеточная вода в масштабе организма составляет 33 % [32].

Клеточное вещество является сложным полифазным коллоидом, то есть представляет собой систему из двух несмешивающихся фаз. Одна из этих фаз структурно является цитоплазматическим матриксом и выполняет роль водной фазы с переходами от жидкого до твердого состояния, тогда как другая является мембранной системой и выполняет роль относительно жидкой фазы. Цитоплазма практически бесцветна, имеет характер раствора. В клетках обнаружено от 70 до 90 из 110 элементов, составляющих периодическую систему Д.И. Менделеева [24]. Приблизительно 40 биогенных элементов принимают участие в процессах обмена веществ и обладают выраженной биологической активностью. От избыточной воды защищают рефлексы на объем и осмотическое давление. Если осмотическое давление в крови падает ниже нормы, то это включает мочегонные стимулы. Водно-минеральный обмен во многом обеспечивается почками. Их активная деятельность обеспечивает также реабсорбцию ионов и необходимых организму органических веществ, аминокислот, глюкозы, пептидов, гормонов. За одну минуту в почках человека образуется около 125 мл фильтрата плазмы крови, а в мочу из него выделяется лишь 1 мл жидкости.

Остальная вода реабсорбируется и возвращается в кровоток. То же самое происходит и с другими полезными компонентами фильтрата. Вредные компоненты – аммоний, мочевина, мочевая кислота, нитраты и токсины и др., напротив, концентрируются.

Введение избытка воды независимо от чувства жажды приводит к увеличению выделения воды в почечные канальца. В таких ситуациях вода становится не растворителем вредных веществ, а сама выделяется через почки. Обычно это результат блокады синтеза антидиуретического гормона гипофиза – вазопрессина.

При этом происходит не очистка организма от токсинов, а избавление от токсической воды, и из организма выводится слабо концентрированная моча. Одновременно затрудняется реабсорбция полезных компонентов фильтрата крови, повышается артериальное давление.

По степени связанности вода организма делится на следующие виды:

– гидратационная (химически связанная вода);

– мобильная (свободная вода);

– иммобильная (полусвязанная вода).

Содержание и распределение воды в организме человека в зависимости от возраста (в % от массы тела) В связанном с молекулами белка состоянии находится 4–5 % воды. Это так называемая сольватная вода, которая образует гидратные оболочки вокруг белковых молекул, изолируя их друг от друга, и препятствуя их агрегации, а также связывается с некоторыми ионами, например [Na(H2O)x]+ [Cl(H2O)y]-. Сольватная вода по своим химическим и физическим свойствам отличается от свободной воды. Так, например, она не растворяет солей, а замерзает при температуре, близкой к -40°С, 95 % воды находится в свободном состоянии и выполняет следующие функции:

– играет роль растворителя химических веществ, обволакивая их гидратной (водной) оболочкой, которая постепенно переходит в водную среду, происходит растворение вещества, скорость химической реакции при этом увеличивается;

– является средой протекания жизненно важных физикохимических процессов;

– включается в качестве активного компонента в некоторые ферментативные реакции (гидролиз, гидратация, дегидратация и др.);

– выполняет транспортные функции, благодаря низкой вязкости, подвижности, способности растворять органические и неорганические соединения обеспечивает приток веществ в клетку, удаление продуктов жизнедеятельности из неё;

– определяет тургорное давление клетки;

– благодаря высокой теплоёмкости и теплопроводности обеспечивает незначительные колебания температуры внутри клетки и равномерное распределение тепла по клетке и во всём организме, предохраняет его от перегревания;

– служит основой жидкостей, которые смачивают (смазывают) покровы там, где происходит трение одного органа о поверхность другого, например, в суставах;

– участвует в формировании клеточных структур.

Полусвязанная вода содержится в порах клеточных органоидов, между волокнистыми белковыми молекулами, между молекулами гликогена. При измельчении тканей она не вытекает, т.к. является растворителем и замерзает. Ведется широкая дискуссия об информационных свойствах воды [26, 31].

Основными водно-дисперсными системами организма человека являются кровь, слюна, лимфа, моча. Поступающая вода в организме распределяется между жидкостными средами следующим образом: около 60 % внутри клеток, ~15 % – в межклеточной жидкости, ~8 % содержится в составе крови и лимфы [28].

О норме потребления воды людьми разного возраста продолжаются дискуссии. Появление в 1990 г. рекомендаций об увеличении потребления воды потребовало экспериментальной проверки. Известно, что у детей к 5 годам кровоснабжение почек снижается почти на 50 %. При наличии болезней печени, почек и сердца излишняя вода становится опасной. Если уменьшается объем легких, то, соответственно, выделение воды при дыхании снижается [23]. С возрастом уменьшается общее число потовых желез, примерно с 2 млн. у молодых до 1 млн. у стариков. Все эти изменения могут вести к задержке воды в организме. Взрослому здоровому человеку требуется, по заключению ВОЗ, 30 мл жидкости на каждый килограмм веса тела сутки. Для тех, у кого сниженный вес или худоба, эксперты предлагают другую формулу: 100 мл на кг для первых 10 кг веса, мл для следующих 10 кг и 15 мл на кг – для остального веса.

Особенности физиологии водообмена в разном возрасте могут сказываться на способности БЖ к кристаллизации [13].

Свойства воды определяются ее структурой и химической формулой. Устоявшееся до сих пор представление следующим образом трактует строение молекулы легкой воды. По одним расчетам она имеет угловое строение; т.е. ее составные части образуют равнобедренный треугольник с основанием из двух протонов и с вершиной из ядра атома кислорода. Межъядерные расстояния О–Н около 0,1 нм, расстояние между ядрами атомов водорода равно 0,15 нм. Из восьми электронов, составляющих внешний электронный слой атома кислород в молекуле воды две электронные пары образуют ковалентные связи О–Н, а остальные четыре электрона представляют собой две неподеленные электронные пары. Атом кислорода в этой молекуле находится в состоянии sp2-гибридизации. Поэтому валентный угол НОН (104,3°) близок к тетраэдрическому (109,5°). Электроны, образующие связи О–Н, смещены к более электроотрицательному атому кислорода. Атомы водорода приобретают эффективные положительные заряды, поскольку они создают два положительных полюса. Центры отрицательных зарядов неподеленных электронных пар атома кислорода, находящиеся на гибридных орбиталях, смещены относительно ядра атома и в свою очередь создают два отрицательных полюса. Молекулярная масса парообразной воды равна 18 ед. Жидкая вода имеет более высокую молекулярную массу, что определено путем исследования растворов воды в других растворителях. Это следствие ассоциации отдельных молекул воды в сложные агрегаты (кластеры). Считается, что ассоциация молекул воды вызвана образованием между ними водородных связей. Однако недавние исследования Синхротронной лаборатории Стэнфордского университета значительно изменяют существующие представления о структуре воды. Химико-физики Андрес Нилссон и его коллеги исследовали воду на рентгеновской установке и обнаружили, что молекулы воды, вопреки представлениям, не имеют форму тетраэдров – маленьких пирамид с основаниями в форме треугольников. Вода по структуре скорее напоминает океан, состоящий из колец и цепочек, где большинство молекул прочно связаны друг с другом. Отказ от представления о воде как о химическом соединении, имеющем пирамидальную структуру, является, по их мнению, «чрезвычайно важным событием» ибо такая вода может вести себя по иному, что может перевернуть ключевые понятия в науке [25].

Вместе с тем обсуждаются необычные физико-химические свойства воды. Ее плотность при переходе из твердого состояния в жидкое не уменьшается, как у других веществ, а возрастает. При повышении температуры воды от 0 до 4°С плотность ее также возрастает, до максимальной при 4°С, а при дальнейшем нагревании ее плотность уменьшается. Если бы при понижении температуры и при переходе из жидкого состояния в твердое плотность воды изменялась, как это происходит у подавляющего большинства веществ, то при приближении зимы поверхностные слои природных вод охлаждались бы до 0°С и опускались на дно, освобождая место более теплым слоям, и так продолжалось бы до тех пор, пока вся масса водоема не приобрела бы температуру 0°С. Тогда бы вода замёрзла, образующиеся льдины погружались бы на дно, и водоем промерзал бы на всю его глубину. Многие формы жизни при этом были бы невозможны.

Но так как наибольшая плотность воды формируется при 4°С, то перемещение ее слоев, вызываемое охлаждением, заканчивается при достижении этой температуры. При дальнейшем понижении температуры охлажденный слой, обладающий меньшей плотностью, остается на поверхности, замерзает и тем самым защищает лежащие ниже слои от дальнейшего охлаждения и замерзания.

Легкая вода обладает также аномально высокой теплоемкостью (4,18 Дж/(г К). Благодаря этому свойству ночью, а также при переходе от лета к зиме вода остывает медленно, а днем, или при переходе от зимы к лету, так же медленно нагревается. Благодаря этим свойствам вода выполняет роль регулятора температуры на Земле.

Кроме легкой воды, в природе существует тяжелая вода [29]. Так, еще в 1931 г. было обнаружено, что при испарении жидкого водорода его последние фракции оказываются тяжелее обычного водорода вследствие содержания в них в два раза более тяжелого изотопа. Этот изотоп называется дейтерием и обозначается символом D. Он имеет молекулярный вес 2, в ядре атома содержатся один протон и один нейтрон. Формула тяжелой воды D2О и молекулярный вес 20, а не 18, как у легкой воды. Тяжёлая вода на 10 % плотнее, её вязкость выше на 25 %, по сравнению с обычной водой, кипит она при температуре 101,42оС, а замерзает при +3,8оС. В природных водоемах одна молекула тяжелой воды приходится на 6000 молекул Н2О. Это составляет около 0,015 %. Один кубический метр пресной воды содержит ее около 150 г, а в одной тонне морской воды присутствует 165 г тяжёлой воды. Замечено, что ее содержание в природе зависит от климата и глобального потепления. В периоды глобального потепления количество тяжёлой воды увеличивается. По своим свойствам она существенно отличается от обычной воды и используется в качестве метки при исследовании физиологических процессов. Установлено, что в моче человека соотношение между водородом и дейтерием равно 5000:1. Если дать пациенту выпить воду с большим содержанием D2O, то, последовательно измеряя долю этой воды в моче, можно определить скорость выведения воды из организма. Оказалось, что около половины выпитой воды остается в организме даже спустя 15 суток. Третий изотоп водорода – тритий, обозначается символом Т. В отличие от первых двух, он радиоактивен и обнаружен в природе лишь в малых количествах. В пресноводных озерах соотношение между ним и обычным водородом равно 1:1018, в поверхностных водах – 1:1019, в глубинных водах он отсутствует. Полученную электролизом тяжелую воду стали применять в ядерной физике, в конструкции реакторов для поглощения нейтронов, а также при создании нейтронной бомбы, основанное на том, что при распаде 1 г дейтерия выделяется в 10 млн. раз больше энергии, чем при сгорании 1 г угля. Тяжелая вода из-за своего более тяжелого веса медленнее поднимается вверх при испарении с поверхности водоемов, поэтому в закрытых водоёмах ее содержится больше, т.к. она испаряется не так эффективно, как обычная вода. Но тяжёлая вода конденсируется быстрее, чем обычная вода [6, 16]. Российскими исследователями установлено, что такая вода тормозит рост бактерий, водорослей, грибов, высших растений и культуры тканей животных. Предполагают, что тяжелая вода ингибирует рост и развитие организма, нарушает ряд физиологических процессов, ускоряя старение. Однако эксперименты с растениями и животными показали, что тяжелая вода токсична лишь в очень больших концентрациях. Мыши погибали, если содержание дейтерия в воде превышало 20 %.

Клетки растений выдерживали 30–50 %-ные ее концентрации, а одноклеточные водоросли могли жить в 75–80 %-ной тяжелой воде. Но простейшие круглые черви – нематоды благополучно существовали в ней, при этом продолжительность их жизни удлинялась на насколько недель. С возрастом у млекопитающих животных содержание тяжелой воды уменьшается, так как дейтерий хуже, чем обычный водород, ассимилируется клеткой для биохимических процессов. Химические реакции с участием дейтерия, в отличие от протия, протекают с меньшей скоростью из-за большей энергии активизации. Скорость ферментных реакций с участием протия в 4–5 раз выше, чем с дейтерием. Так, по теории абсолютных скоростей разрыв СD-связей может происходить быстрее, чем СH-связей, подвижность тяжелого иона меньше, чем подвижность Н+, а константа ионизации тяжёлой воды несколько меньше константы ионизации обычной воды.

При действии на организм различают первичные и вторичные изотопные эффекты дейтерия в зависимости от того, какое положение занимает атом дейтерия в молекуле [29]. Природная вода – всегда смесь молекул легкой и тяжелой воды. Так называемая «бездейтериевая» вода со сниженной до 50 % концентрацией дейтерия способна ускорять развитие половых органов, стимулировать сперматогенез, оказывать антимутагенное действие, способствовать увеличению биомассы и количества семян.

В эксперименте такую воду, полученную по электролизной технологии Института космической биологии и медицины, использовали в качестве питья в группах животных с перевитыми опухолями. Вода с пониженным содержанием дейтерия задерживала появление первых узелков на месте перевивки рака шейки матки, тормозила развитие всех исследованных опухолей, однако жизнь экспериментальным мышам она не продлевала. Пониженное содержание дейтерия наблюдается в реликтовой воде.

Талая реликтовая ледниковая вода с пониженным содержанием дейтерия по данным Г. Бердышева [3] оказывала геропротекторные, радиозащитные и антимутагенные эффекты у дрозофил в процессе их развития. Реликтовая вода с низким содержанием дейтерия стимулировала иммунную систему.

Ряд присущих смешанной воде свойств имеют существенное значение в процессах кристаллизации в естественных живых системах на суше и в море [9]. Одним из уникальных свойств воды является способность создавать кластеры. В молекуле воды возникают короткоживущие водородные связи между соседними атомами водорода и кислорода. Это создает возможности для образования структур-ассоциатов, называемых кластерами. Вода, состоящая из множества кластеров различных типов, образует иерархическую пространственную жидкокристаллическую структуру, которая может воспринимать и хранить огромные объемы информации [30].

Рис. 4. Некоторые возможные структуры кластеров воды В отличие от металлических кластеров, структура которых фиксирована, водные кластеры, состоящие из нескольких единиц, десятков и большего числа молекул, остаются жидкими даже при низких температурах, причем кластеры формируются в виде множества равноправных форм, способных к превращению одной формы в другую. Эта их особенность сопряжена с электрическими свойствами – поскольку положительные и отрицательные заряды в молекуле воды несколько смещены друг относительно друга, в результате создается дипольный момент и вокруг молекулы формируется электрическое поле. В большом объеме воды дипольные моменты отдельных молекул компенсируются, и суммарное электрическое поле исчезает. Ранее исследователи водных кластеров изучали их «в толще воды», а изолировать и рассмотреть электрические свойства отдельного кластера не удавалось. Однако в 2006 г. исследователи Университета Южной Калифорнии под руководством R. Moro [31] провели эксперимент и доказали, что кластеры, содержащие от 3 до 18 молекул воды, тоже обладают большим дипольным моментом. Этот результат получен следующим образом: герметичный сосуд с водой помещался в вакуумную камеру и из него через очень узкое отверстие в форме реактивного сопла вода испарялась наружу, в вакуум. Выходя через сопло, струйка пара разгонялась до сверхзвуковой скорости. Так получали пар, состоящий не только из отдельных молекул воды, но и из разнообразных водных кластеров. Струйку пара пропускали через камеру метровой длины с неоднородным электрическим полем.

Пар слегка отклонялся в электрическом поле, а затем попадал в масс-спектрограф, который расщеплял основную струйку на несколько отдельных пучков в соответствии с количеством молекул в кластере. По отклонению струйки в электрическом поле измерялся дипольный момент кластеров. Когда же они «складывались» в сплошную среду, то взаимодействовали друг с другом не только через непосредственный контакт, но и через электрическое взаимодействие диполей. В эксперименте получены свидетельства, что крупные кластеры (содержащие больше восьми молекул) электрически более упорядочены, чем маленькие.

Экспериментаторам удалось провести опыты в двух разных температурных режимах: когда температура внутри кластеров была около 200°К (-70°C) и около 120°К (-150°C). Некоторые теоретические расчеты предсказывали, что при таких температурах водные кластеры должны уже замерзнуть, что сильно изменило бы зависимость дипольного момента от количества молекул. В эксперименте подобное изменение свойств не обнаружилось, из-за чего приходится делать вывод, что и при таких температурах кластеры могут оставаться жидкими.

Образование кластеров воды является свидетельством ее структурирования. Именно кластерным формированиям приписывается свойство воды отвечать на внешние воздействия по типу резонанса, а при растворении в воде солей во многом обусловливать термодинамические свойства растворов [19, 21].

Кластерно-структурированная вода становится источником сверхслабого и слабого переменного электромагнитного излучения. Предполагается возможность влияния этого электромагнитного поля, на структурно-информационные характеристики биологических объектов. Следовательно, вода может принимать участие в переносе информации, если за понятие «информация»

принять меру организованности движения, взаимодействия и перемещения частиц в системе [17]. Экспериментально установлена возможность дистанционного информационного взаимодействия жидкокристаллической структуры воды с объектами различной природы при помощи электромагнитных, акустических и других полей. Воздействующим объектом может быть и человек. Структурной единицей структурированной воды можно считать кластер, состоящий из клатратов, природа которых обусловлена дальними кулоновскими силами. Любые изменения воды под действием на водные растворы электрических, магнитных, электромагнитных, полей, ультразвука, электрохимических процессов объясняются на основе изменения энергетичности виртуальной пары элементарных частиц электрон-позитрон.

В настоящее время различают первичную память воды и «долговременный след». Первичную память представляют в виде преобразованной матрицы структурных элементов в ячейке с выводом на поверхность ячейки граней, отображающих рисунок заряда воздействующего соединения. «Долговременный след»

определяют как след последействия вещества на структурированное состояние воды, когда после многократного согласования информационной передачи между веществом и водой устанавливается окончательно преобразованная матрица структурных элементов водной ячейки. Многочисленные эксперименты показали, что чувствительность информационной системы воды настолько высока, что она может ощущать влияние различных полевых воздействий, формы окружающих предметов, и, даже, воздействия человеческих эмоций и мыслей [7].

Поражает высокая реакционная способность воды. Некоторые соли образуют с ней кристаллогидраты, оксиды многих металлов и неметаллов соединяются с водой, образуя основания и кислоты; наиболее активные металлы взаимодействуют с водой с выделением водорода. Известна каталитическая способность воды. Некоторые обычные реакции протекают лишь в присутствии следов влаги. Так, если таких следов нет, хлор не взаимодействует с металлами, фтороводород не разъедает стекло, натрий не окисляется в воздушной атмосфере. С перечисленными свойствами воды тесно связана физиологическая роль воды, входящей в состав БЖ организма.

Вода в виде жидкости присутствует в организме в крови, лимфе, секретах слезных, слюнных, пищеварительных потовых желез, а также в секретах и экскретах желез внутренней секреции, моче. В составе клеток и тканей вода является составной частью коллоидов и кристаллоидов. Более плотные внеклеточные образования, такие как коллагеновые волокна хрящей и сосудов, белки глаз и нервных волокон, это также обычно кристаллоиды, содержащие больше воды у молодых людей и меньше – у пожилых. Роль воды, входящей в состав крови, лимфы, ликвора и др. БЖ – ещё недостаточно освещена в современных научных источниках. К.М. Резников предложил модель многоканальной рецепторно-информационной системы, включающей 3 уровня [17]:

1-й уровень – перескок протонов вдоль спирали структурированной воды. Он характерен вероятнее всего для терминалей, заканчивающихся в области биологически активных точек (БАТ), с одной стороны, и тканей отдельных органов с другой;

2-й уровень – образование протонных сгущений и разряжений вдоль тяжей (коллатералей), состоящих из отдельных спиралей и реализующих передачу информации от нескольких БАТ или от внутренних органов и обратно;

3-й уровень – межкластерный обмен молекулами воды, в кластерах, входящих в структуру параллельных тяжей, образующих основу каналов – меридианов. Это центральное звено передачи информации между биологически активными точками и внутренними органами в обе стороны.

Отдельные кластеры и клатраты, которые существуют в жидких средах организма недолго, могут быть, с одной стороны, субстратом для построения более сложных структур системы, а с другой передатчиками информации между отдельными клетками. Если под влиянием какого-либо внешнего фактора (микроорганизм, токсин, электромагнитное излучение и т.д.) меняются информационные свойства воды БЖ, то изменяются и структурно-функциональные компоненты клеток, тканей и органов, из-за перестройки всей рецепторно-информационной системы организма по К.М. Резникову Перестройка захватывает несколько ступеней этой системы:

– Первая ступень характеризуется обезличенной информацией на уровне «да–нет», «+ или –», «много-мало» и т.п. и характеризуется вовлечением в информационный процесс всех клеток организма посредством структуризации воды.

– Вторая ступень – оперирует с более обобщённой информацией, с участием ионов, пептидов, аминокислот на уровне клеточных мембран определённых клеток организма.

– Третья ступень – это адресная передача конкретной информации адресованной определённой ткани с вовлечением в процесс системы «медиатор–рецептор» (нервная система), «гормон–рецептор» (гормональная система).

Передача этой информации вызывает изменения на уровне органов, которые регистрируются распространенными методами лабораторной и функциональной диагностики. Благодаря этому формируется всеобщая (генерализованная) рецепторно-информационная система взаимодействия всех структурных образований организма (от органелл клеток до органов и функциональных систем). Она обеспечивает функционирование различных систем по типу «всё знает обо всём», а также обеспечивает двустороннюю связь организма с внешней средой. Центральная нервная система, как специализированный орган восприятия, обработки, создания и передачи информации функционирует с привлечением всех этих 3-х компонентов. Любая система, уровень порядка которой выше минимально приемлемых 60 % (или больше числа Фидия – Примеч. авторов), начинает саморегуляторное поддержание упорядоченных взаимодействий. Чем выше в воде содержание кластеров, чем более упорядоченная её структура, тем более она способна сама себя воспроизводить, что и наблюдается в живых системах. Это свидетельствует о том, что вода организма человека может выполнять системообразующую роль, с одной стороны, и регуляторную роль – с другой. Двухкомпонентные структурированные водные системы могут участвовать в восстановлении повреждённых тканей [17].

Информационная и реакционная способность воды взаимосвязаны с клатратообразованием. Под клатратом (от лат.

clathratus – защищенный решеткой) понимают включения молекул, называемых «гостями», в полости кристаллического каркаса, состоящего из молекул другого сорта, называемых «хозяевами» (решетчатые клатраты), или в полость одной большой молекулы–хозяина (молекулярные клатраты). Среди решетчатых клатратов в зависимости от формы полости различают:

клеточные – криптатоклатраты, канальные – тубулатоклатраты, слоистые – интерклатраты. Молекулярные клатраты подразделяются на кавитаты, клатраты-кавитаты, с полостями, напоминающими корзину, что встречается у некоторых молекул ферментов, например амилазы. Белковые клатраты называют клатринами. Между молекулами гостя и хозяина может не быть никаких взаимодействий, кроме ван-дер-ваальсовых (в газовых гидратах), но часто между гостями и хозяином, кроме ван-дер-ваальсова взаимодействия, имеются слабые связи типа водородных (молекула гексагидрата уротропина). Нередко наблюдаются также соединения с координационной связью между гостем и хозяином (клатратокомплексы) и др. Соотношение между количествами молекул гостей и хозяев в общем случае нецелочисленное [28].

Между молекулами гостя и хозяина образуются лишь слабые межмолекулярные связи; включенная молекула не может покинуть своего места в полости кристалла преимущественно из-за пространственных затруднений. Поэтому клатраты – неустойчивые соединения, которые могут существовать лишь при сравнительно низких температурах. Воде свойственна способность соединяться с рядом газов при температурах от 0 до 24оС.

Молекулы газа – (гостя) заполняют межмолекулярные полости имеющиеся в структуре воды. Образование клатратов используется для обессоливания воды. Нагнетая в соленую воду при повышенном давлении соответствующий газ, получают льдоподобные кристаллы клатратов, при этом соли остаются в растворе. Похожую на снег массу кристаллов отделяют от маточного раствора и промывают, Затем при некотором повышении температуры или уменьшении давления клатраты разлагаются, образуя пресную воду и исходный газ, который вновь используется для получения клатрата. Подобная технология в домашних условиях используется для получения чистой воды посредством ее замораживания в объеме. В этом случае снегоподобная масса кристаллов просто удаляется из льда (Прим. авторов).

В 1973 г. Т. Грифиц рассчитал, что водородные связи, от которых зависит конфигурация белковых молекул и ДНК, становятся прочнее, если водород в аминокислотах или нуклеотидах заменен дейтерием. Так происходит из-за того, что дейтерий намного крупнее и массивнее водорода и частота колебания его намного меньше, чем водорода. Это стабилизирует связь дейтерия с другими атомами, например с углеродом, кислородом, делая её более прочной. Поэтому, если даже одна молекула ДНК на десять тысяч других имеет более прочную структуру, обусловленную тяжелой водой, то это может приводить к мутации из-за изменения процесса репликации генома в делящихся клетках. По такому же пути может идти появление измененных белков. Дeфектность хотя бы одной такой молекулы на тысячи правильных конфигураций может создавать «шумовые помехи» в обмене веществ [8].

В живом организме вода выполняет роль основного растворителя. Это связано с тем, что вода представляет в своей массе кооперативную систему, в которой образуются своеобразные цепи водородных связей. Многие исследователи считают, что водная среда представляет собой иерархически организованный жидкий кристалл. Изменение положения одного структурного элемента в нем под действием любого внешнего фактора или изменение ориентации окружающих элементов под влиянием добавляемых веществ, обеспечивает изменение жидкокристаллических свойств и обусловливает высокую чувствительность воды, как информационной системы. Поэтому всякое воздействие на воду распространяется эстафетным путем на тысячи межатомных расстояний. Наличие водородных связей придает ей специфическую, лабильную структуру в виде «мерцающих»