8

Размещено на http://www.allbest.ru/

ГНУ Поволжский НИИ эколого-мелиоративных технологий Россельхозакадемии

Проблемы мелиорации и роль воды в жизни клеток растений и животных

С.М. Лихолетов - д-р мед. наук, заслуженный эколог РФ;

В.В. Карпунин - канд. техн. наук

г. Волгоград Россия

Не вызывает сомнений факт, что без развития мелиорации мы не можем решить продовольственную программу России. Важное значение имеют также вопросы теоретического изучения роли воды в жизнеобеспечении клеток сельскохозяйственных культур, стимуляции их роста и повышения урожайности. Ниже приведена современная концепция о роли воды в жизни клеток растений и животных.

Вода - это уникальное вещество, определяющее по существу, наличие и возможность продолжения жизни на Земле вообще. Отметим, что вода - единственное вещество на Земле, у которого каждое фазовое состояние имеет собственное имя: пар - вода - лед. В данной статье под словом "вода" мы имеем в виду её жидкое состояние.

Огромное количество литературы, воспевающей воду, не отвечает на вопрос: а что же такого особенного заключено в этой жидкости и почему она играет столь важную роль в жизни всего живого на Земле? В данной статье мы пытаемся показать в свете современных данных, в чем же действительно состоит роль воды в обеспечении жизни клеток растений и животных, как эта роль связана с необычными для нас свойствами воды, которая в живом организме уже совсем не похожа на ту жидкую воду, которую мы пьем.

Идеальная вода, состоящая только из молекул Н₂О без каких-либо примесей, существует только теоретически. Реальная же вода никогда не бывает абсолютно чистой. Многие не знают, что строение молекулы воды в том виде, в каком оно приводится в книгах, относится к её газообразной, а не жидкой форме.

Вода, как жидкость, не похожа ни на одну другую жидкость на Земле. Отличие в её свойствах от типичных жидкостей принято называть аномалиями. Жизнь на Земле стала возможной именно из-за главных аномалий воды! Назовем здесь некоторые аномалии воды.

В целом, сегодня ученые насчитывают 66 "аномальных" свойств, присущих обычной воде. Назовем некоторые аномалии воды, которые нужны нам для понимания роли воды в жизни клеток растений и животных.

Первая аномалия. Большая теплоемкость воды в условиях, когда живой организм на 2/3 состоит из неё, способствует тепловому регулированию в организме и предотвращает локальные колебания температуры в нем. Теплоемкость воды в 10 раз больше, чем у железа. Вода нагревается впятеро медленнее песка. Чтобы нагреть на 1⁰С 1 л воды, потребуется тепла в 3300 больше, чем для нагрева 1 л воздуха. Зато, когда вода остывает, она отдает столько же тепла, сколько забрала при нагревании.

Вторая аномалия воды самая странная. Она состоит в том, что вода имеет максимальную плотность не в твердом, а в жидком виде, и не при 0⁰С (температуры замерзания), а при +3,8⁰С. Благодаря этому удивительному свойству воды, замерзание всех водоемов происходит сверху вниз, что защищает воду от глубокого промерзания, отражает солнечный свет и обеспечивает их быстрое оттаивание. Получается, что самой плотной и тяжелой вода бывает при +4⁰С. Зимой, охладившись до +4⁰С, она опускается на дно и здесь сохраняется в течение всей зимы. Вот почему зимой на дне водоема сравнительно тепло, что спасает жизнь всем пресноводным животным (да и в море тоже).

Третья аномалия связана с различием свойств горячей и холодной воды. При охлаждении вода уменьшается в объеме, становится менее сжимаемой, показатель преломления света у неё увеличивается, скорость звука в ней возрастает, а теплопередача уменьшается. Напротив, при нагревании выше 4⁰С вода расширяется, её сжимаемость увеличивается, скорость звука и теплопроводность уменьшаются, а теплоемкость увеличивается.

Четвертая аномалия - по электростатическим свойствам вода является диэлектриком (веществом, не обладающим электрической проводимостью).

Это следствие того факта, что вода как жидкость, состоящая из подвижных дипольных молекул, может быть частично поляризована внешним электрическим полем.

Пятая аномалия - замерзая, вода тоже отдает много тепла. Поэтому в холодные ночи зимой в теплицы ставят бочки с водой: замерзая, вода выделяет тепло и согревает воздух!

Специалистам теоретической химии пока не удалось создать математическую модель жидкой воды, которая позволила бы объяснить некоторые из аномалий воды. Многочисленные исследования жидкой воды активно проводятся уже более 150 лет. Имеется обширная библиография (более 1500 ссылок) на сайте M. Chaplin [1]. Здесь, к сожалению, отсутствуют ссылки на работы российских ученых.

В последние десятилетия различными физическими методами было доказано наличие структуры у воды. К сожалению, вода изменяет свои свойства в зависимости от того, чем на неё действуют при проведении измерений. Поэтому результаты исследований воды у разных авторов часто не стыкуются друг с другом.

В любой реальной воде, как бы её ни очищали, всегда присутствуют примеси, и именно они определяют многие результаты экспериментов с водой. Выделяют 4 основных класса примесей в воде - электролиты (катионы и анионы), неэлектролиты (молекулы газа и малые органические молекулы), наночастицы неорганической природы, и большие органические молекулы (биополимеры). Так вот любые структуры в воде возникают только около растворенных в воде примесей.

Отметим, что способность воды образовывать особые структуры у поверхности наночастиц сейчас активно используется в быстро развивающейся новой науке - нанобиотехнологии. Вода, в которую введены наночастицы, меняет свою структуру и становится структурированной. На этой основе имеется много шарлатанских "научных" работ, доказывающих получение воды с особыми свойствами, которая излечивает человека от всех болезней.

В работах Л.П. Семихиной показано, что структурированная вода появляется только в живых системах Семихина Л.П. Цитировано из книги Л. Галль (3) С. 167. В неживых системах водные структуры разрушаются. Это было очень важным открытием. Конечно, в межмолекулярной среде живой системы (например, клетки растений) есть, безусловно, определенная часть воды неструктурированной и ни с чем не связанной. В этой жидкой воде "плавают" катионы и анионы, выполняющие функции регулирования мембранного транспорта. Кроме того, в жидкой воде растворен кислород и другие газы, и возможно особые кластеры только на основе молекул воды.

У поверхности биополимеров живой клетки вода не просто структурирована, она кристаллизована в кристаллы особого типа, называемые фрактальными. Согласно современным представлениям они строятся за счет энергии живой системы клетки, и разрушаются, превращаясь в обыкновенную "жидкую воду", когда клетка умирает [2].

Между структурированной водой и водой жидкой в межмолекулярной области находится ещё один тип воды - "пограничная вода". Она очень нестабильная и в зависимости от внешних обстоятельств может служить резервом как для фракталов, образовавшихся вокруг биополимеров, так и для "жидкой воды".

В наше время мы все более понимаем прозорливое высказывание ещё в 1972 г. биофизика Сент-Дъерди [3], Нобелевского лауреата, что вода не только mater (прародительница), но и matrix (матрица) жизни вообще и живой клетки, в частности. В водной среде, являющейся матрицей жизни, образование биомолекул происходит не в случайных, а в детерминированных процессах. Однако и в настоящее время ещё преобладает точка зрения, что вода - это межклеточная жидкость, где плавают и перемещаются молекулы.

Ученый Дж. Поллак развил идею цитоплазмы клетки в виде связанной воды, представляя её как гель на поверхности биополимеров [4]. По его мнению, небольшое изменение внешних условий вызывает кардинальные изменения в геле, а вслед за ним - и во внутриклеточных процессах. Эта новая парадигма функционирования клетки полностью противоречит ортодоксальной, где клетка рассматривается как резервуар с жидкостью, целостность которого поддерживается мембраной клетки. Однако основы процессов жизни лежат гораздо глубже клетки: они в межмолекулярных энергетических связях, которые сейчас активно изучаются биофизиками.

Необходимо несколько слов сказать о структуре самой клетки. Внеклеточная жизнь на Земле неизвестна. Имеются, правда, вирусы, которые можно рассматривать как переходные системы к клетке. Вирус - это симбиоз хотя бы пары молекул. Клетка может существовать самостоятельно, но главная её функция проявляется в составе многоклеточного организма. Строение клетки архисложное, но в главном она состоит из ядра и цитоплазмы, защищенной от внешней среды плазматической мембраной. В любой клетке содержится универсальный набор генов, в котором заложена программа всех белков любых клеток организма, какому бы органу или системе эта клетка не относилась.

Биофизики рассматривают клетку как биологическую систему, образованную множеством различных больших и малых молекул, среди которых все важнейшие функции выполняют биополимеры. Великие биофизики ХХ в. (Э. Бауэр, Г. Линг, Сент-Дьерди, Дж. Поллак) предлагали различные теоретические модели биоэнергетики клетки. И не получилось. Оказалось, что клетка слишком сложный объект, для того чтобы её работу можно было вместить в какую-нибудь одну физическую модель.

Клетка, по сути, самостоятельный живой организм, состоящий из многих собранных вместе биосистем, гармонично взаимодействующих друг с другом. Попытка создать компьютерную модель одноклеточного организма (амебы, например) не удалась. Для описания жизненной функции амебы пришлось ввести около 6000 (!!!) систем обратной связи [2].

Главным отличием живой системы от неживой является потребление энергии от внешних источников через молекулярные механизмы питания. Ни один живой организм, кроме растений, не способен непосредственно потреблять энергию Солнца. Растения через молекулы хлорофилла в хлоропластах делают это легко. Все остальные живые существа, амеба и человек, питаются веществами, которые синтезируют растения в процессе фотосинтеза.

Несмотря на большие достижения биохимиков, биофизиков, физиологов в изучении процессов функционирования живой клетки до сих пор неясно, кто (или что) управляет межмолекулярными физико-химическими взаимодействиями в живых клетках организма. Как достигается высочайшая скорость, точность и скоординированность всех процессов.

Нельзя найти ответ на эти вопросы, если искать его только в молекулярных процессах, идущих в живой клетке. Многие ученые, обсуждая процессы в живых клетках, впадают в мистику, считая задачу о том, как живет живая система неразрешимой. Но более правильно следует искать ответ на эти вопросы в единстве молекул, воды и физических полей. О роли последних в данной статье мы не касаемся, хотя это очень важный аспект в жизни клеток и всего организма. Эта тема отдельной статьи.

Более века структура воды остается предметов пристального изучения. Полагали, что если лед обладает тетраэдрической структурой, то и вода должна иметь такую же структуру, только гораздо менее упорядоченную.А. Нильсон доказал в опытах с использованием прибора синхротрона, что вода при комнатной температуре имеет два вида структур - одна из них высокоупорядоченная тетраэдрическая, а другая - полностью разупорядоченная Андерс Нильсон. Научно-аналитический форум, 2010. www.scilog.ru..

Жидкая вода представляет собой постоянно колеблющуюся среду, молекулы которой непрерывно переходят из одной структуры в другую. По мере роста температуры упорядоченных тетраэдрических структур становится все меньше, однако размеры их, как ни странно, остаются прежними.

Ещё раз отметим, что все живое на Земле существует, питаясь продуктами фотосинтеза растений, то есть только за счет энергии Солнца. Недавно физик Л. Галль предложила новую единицу в иерархии биологической субстанции на Земле - молекулярную ячейку [2]. Она существует благодаря неразрывной связи биологических молекул, воды и физических полей. Молекулярная ячейка является промежуточной ступенью между живым и неживым, поскольку в зависимости от поступления к ней энергии, может проявлять свойства как живой, так и неживой системы. В отличие от неживых молекул, молекулярная ячейка уже может проявлять основные свойства Жизни.

вода молекула клетка растение

Заключение