Біологічні аномалії води

Размещено на http://www.allbest.ru/

РЕФЕРАТ

Пояснювальна записка до курсової роботи «Біологічні аномалії води»:

Об'єкт дослідження - питна вода, вода з морських та річкових джерел.

Предмет дослідження - склад води.

Мета роботи - аналіз особливостей біологічних аномалій води.

Методи дослідження - аналіз літературних джерел.

ВСТУП

Актуальність теми. Більшість джерел, з яких українці беруть воду для пиття і господарських потре, не відповідають міжнародним і національним стандартам. Забезпечення населення якісною питною водою - чи не найактуальніша проблема, що постала перед людством у третьому тисячолітті.

Мета і завдання. Метою роботи є аналіз особливості будови води і її аномалії. Для досягнення цієї мети були поставленні такі завдання:

- проаналізувати хімічний, біологічний, фізичний склад води;

- визначити біологічні аномалії води;

- проаналізувати методи очистки води.

Об'єкт і предмет дослідження. Об'єктом дослідження є природні водні ресурси. Предметом дослідження є вода.

Наукова новизна. Проаналізовано та узагальнено дані інформаційного пошуку, проаналізовано склад води, методи її очистки.

БУДОВА ВОДИ

Молекула води є маленьким диполем, що містить позитивний і негативний заряди на полюсах. Оскільки маса і заряд ядра кисню більш ніж у ядер водню, то електронна хмара стягується у бік кисневого ядра. При цьому ядра водню “оголяються”. Таким чином, електронна хмара має неоднорідну щільність. Біля ядер водню є недолік електронної щільності, а на протилежній стороні молекули, біля ядра кисню, спостерігається надлишок електронної а на протилежній стороні молекули, біля ядра кисню, спостерігається надлишок електронної щільності. Саме така структура і визначає полярність молекули води. Якщо з'єднати прямими лініями епіцентри позитивних і негативних зарядів вийде об'ємна геометрична фігура - правильний тетраедр.

Завдяки наявності водневих зв'язків кожна молекула води утворює водневий зв'язок з 4-ма сусідніми молекулами, утворюючи ажурний сітчастий каркас в молекулі льоду. Проте, в рідкому стані вода - неврегульована рідина; ці водневі зв'язки - спонтанні, короткоживучі, швидко рвуться і утворюються знов. Все це приводить до неоднорідності в структурі води.

Те, що вода неоднорідна по своєму складу, було встановлено давно. З давніх пір відомо, що лід плаває на поверхні води, тобто щільність кристалічного льоду менша, ніж щільність рідини. Майже у всіх останніх речовин кристал щільніший за рідку фазу. До того ж і після плавлення при підвищенні температури щільність води продовжує збільшуватися і досягає максимуму при 4°c. Менш відома аномалія стисливості води: при нагріві від точки плавлення аж до 40°c вона зменшується, а потім збільшується. Теплоємність води теж залежить від температури немонотонно.

Крім того, при температурі нижче 30°c із збільшенням тиску від атмосферного до 0,2 ГПа в'язкість води зменшується, а коефіцієнт самодифузії - параметр, який визначає швидкість переміщення молекул води відносно один одного зростає.

Для інших рідин залежність зворотна, і майже ніде не буває, щоб якийсь важливий параметр поводився не монотонно, тобто спочатку зростав, а після проходження критичного значення температури або тиску зменшувався. Виникло припущення, що насправді вода - це не єдина рідина, а суміш двох компонентів, які розрізняються властивостями, наприклад щільністю і в'язкістю, а отже, і структурою. Такі ідеї стали виникати в кінці XIX століття, коли накопичилося багато даних про аномалії води.

Коли в 20-і роки визначили структуру льоду, виявилось, що молекули води в кристалічному стані утворюють тривимірну безперервну сітку, в якій кожна молекула має чотирьох найближчих сусідів, розташованих у вершинах правильного тетраедра. У 1933 році Дж. Бернал і П. Фаулер передбачили, що подібна сітка існує і в рідкій воді.

Оскільки вода щільніша за лід, вони вважали, що молекули в ній розташовані не так, як в льоду, тобто подібно до атомів кремнію в мінералі тридиміті, а так, як атоми кремнію в щільнішій модифікації кремнезему - кварці. Збільшення щільності води при нагріванні від 0 до 4°c пояснювалося присутністю при низькій температурі трідімітової компоненти. Таким чином, модель Бернала - Фаулера зберегла елемент двухструктурності, але головне їх досягнення - ідея безперервної тетраедричної сітки. Тоді з'явився знаменитий афоризм І. Ленгмюра: "Океан - одна велика молекула". Зайва конкретизація моделі не додала прибічники теорії єдиної сітки.

Лише у 1951 році Дж. Попл створив модель безперервної сітки, яка була не так конкретна, як модель Бернала - Фаулера. Попл представляв воду як випадкову сітку тетраедра, зв'язки між молекулами в якій викривлені і мають різну довжину. Модель Попла пояснює ущільнення води при плавленні викривленням зв'язків. Коли в 60-70-і роки з'явилися перші визначення структури льодів II і IX, стало ясно, як викривлення зв'язків може приводити до ущільнення структури. Модель Попла не могла пояснити немонотонність залежності властивостей води від температури і тиску так добре, як моделі двох станів. Тому ідею двох станів ще довго розділяли багато вчених.

Але в другій половині XX століття окрім "континуальних" моделей (модель Попла), виникли дві групи "змішаних" моделей: кластерні і клатратні. У першій групі вода з'являлася у вигляді кластерів з молекул, зв'язаних водневими зв'язками, які плавали в морі молекул, в таких зв'язках тих, що не беруть участь. Моделі другої групи розглядали воду як безперервну сітку (зазвичай в цьому контексті звану каркасом) водневих зв'язків, яка містить порожнечі; у них розміщуються молекули, не створюючі зв'язків з молекулами каркаса. Неважко було підібрати такі властивості і концентрації двох мікрофаз кластерних моделей або властивості каркаса і міру заповнення його порожнеч клатратних моделей, щоб пояснити всі властивості води, у тому числі і знамениті аномалії.

У 1999 р. відомий російський дослідник води С.В. Зенін захистив в Інституті медико-біологічних проблем РАН докторську дисертацію, присвячену кластерній теорії, яка з'явилася істотним етапом в просуванні цього напряму досліджень, складність яких посилюється тим, що вони знаходяться на стику трьох наук: фізики, хімії і біології. Ним на підставі даних, отриманих трьома фізико-хімічними методами: рефрактометрії (С.В. Зенін, Б.В. Тяглов, 1994), високоефективній рідинній хроматографії (С.В. Зенін з соавт., 1998) і протонного магнітного резонансу (С.В. Зенін, 1993) побудована і доведена геометрична модель основної стабільної структурної освіти з молекул води (структурована вода), а потім (С.В. Зенін, 2004) отримано зображення за допомогою контрастно-фазового мікроскопа цих структур.

Зараз наукою доведено, що особливості фізичних властивостей води і багаточисельні короткоживучі водневі зв'язки між сусідніми атомами водню і кисню в молекулі води створюють сприятливі можливості для утворення особливих структур-асоциатів (кластерів), що сприймають, зберігають і передавальних саму різну інформацію.

Структурною одиницею такої води є кластер, що складається з клатратів, природа яких обумовлена далекими кулонівськими силами. У структурі кластерів закодована інформація про взаємодії, що мали місце з даними молекулами води. У водних кластерах за рахунок взаємодії між ковалентними і водневими зв'язками між атомами кисню і атомами водню може відбуватися міграція протона (Н+) по естафетному механізму, що приводять до делокалізації протона в межах кластера.

Вода, що складається з безлічі кластерів різних типів, утворює ієрархічну просторову рідкокристалічну структуру, яка може сприймати і зберігати величезні об'єми інформації.

ВИДИ ВОДИ

Джерела води на Землі Води на Землі міститься приблизно 1500 млн. км³, причому прісні води складають порядку 10% загального планетарного запасу води. Велика частина води знаходиться не у відкритих водоймищах, а в земній корі: 110-190 млн. км³. Ці води підрозділяються на двох типів відповідно до глибини їх залягання - підземні і поверхневі води.

Розподіл вод на земній кулі (одиниця виміру - мільйон кубічних кілометрів):

Світовий океан (солоні води) - 1120 - 1300

Атмосфера - 0,013

Підземні води - 60 - 100

Ґрунтові води - 50 - 90

Ледовики - 20 - 30

Води озер та річок - 1 - 4

Води в рослинах і тваринах - 0,006

Підземні води глибокого залягання розташовані в десятках-сотнях метрах від поверхні землі, вони просочують пористі гірські породи, а також утворюють гігантські підземні басейни, оточені водонепроникними шарами. Вода в таких підземних резервуарах знаходиться під тиском.

Інший тип підземних вод поверхневі, розташовані в ґрунті і верхніх шарах земної поверхні на глибині декількох метрів. В порівнянні з водами глибокого залягання у них є один недолік і одна перевага. Недолік: ці води набагато активніше контактують з поверхнею землі і тому вони слабкіше захищені від забруднень, чим води глибокого залягання. Перевага цих вод полягає в тому, що вони доступніші і легко накопичуються в колодязях і поверхневих резервуарах.

Наступний по величині масив прісних вод (20-30 млн. км³) зосереджений в льодовиках Антарктиди, Гренландії і островів Північного Льодовитого океану.

Прісну воду з атмосфери (близько 13 тис. км³) ми отримуємо у вигляді опадів - дощі і сніги.

Світовий океан містить великі запаси води, яка може бути опріснена різними фізико-хімічними методами.

Основний запас прісної води, що вживається людиною, зосереджений в озерах і річках. Одне з найбільших російських озерних сховищ води - озеро Байкал містить близько 20 тис. км³ води. На сьогоднішній день байкальська вода вважається найчистішою в світі; вона характеризується наступними параметрами: вміст (у мкг/л) свинцю - 0,7 (ГДК = 10), кадмію - 0,02 (ГДК = 1), ртуть - 0,1 (ГДК = 1), миш'яку - 0,3 (ГДК = 10).

Інше джерело води - живі організми. У рослинах і тваринах, що полягають на дві третини з води, міститься 6 тис. км³ води. Людський організм знаходиться в стані безперервного водного обміну з довкіллям: він виділяє воду у вигляді поту і сечі і щодня заповнює водні втрати прісною водою. Якщо немає можливості напитися, то вода втрачається з потім і з повітрям, що видихається, і в результаті настає загроза обезводнення (дегідратації) організму. На першій стадії частішає пульс виникає слабкість, потім - запаморочення і задишка. При обезводненні, що становить 10% від маси тіла, відбуваються порушення мови, зору і слуху і втрата свідомості. Загибель організму настає від необоротних змін в нервовій і серцево-судинній системах при водовтраті 15-25% від маси тіла (залежно від температури довкілля).

Так розподілені водні ресурси на нашій планеті. Згідно даним таблиці для пиття, побутових і промислових потреб доступнішими є води озер і річок. Ці запаси води можна оцінити і зіставити з сучасними перспективними потребами людства у воді.

БІОЛОГІЧНІ АНОМАЛІЇ ВОДИ

молекула вода ґрунтовий аномальний

1. Вода є неодмінним субстратом кожного, без винятку, організму і водночас таким же обов'язковим продуктом метаболізму. Жодна інша сполука не може похвалитися цим привілеєм.

2. Вода - єдина хімічна сполука, яка супроводжує, утворюючись і розкладаючись, біологічний синтез і розклад усіх біополімерів у клітинах.

3. Вода - єдина сполука, що бере участь у всіх енергетичних процесах будь-якого організму.

4. Вода - це єдиний метаболіт, який, усупереч законові погіршення довкілля, не пригнічує життєдіяльності жодного організму. Більше такого продукту обміну не існує.

5. Вода - єдина хімічна сполука, яка у газоподібному стані (у парах) за нормальних, природних біосферних умов тиску і температури, на відміну від усіх інших сполук і речовин, не створює у повітрі концентрацій, що загрожували б життю і розвитку будь-яких, у тому числі гранично ксерофільних, організмів.

6. Вода - це сполука, яка бере участь у передачі найрізноманітнішої (у тому числі спадкової) інформації у біологічних системах. Без води постійний і надійний взаємозв'язок та гідна подиву взаємодія між численними структурами клітини чи організму неможливі.

7. Вода - єдина хімічна речовина, що формує, просторово структурує, робить ажурною, гідратує будь-яку біологічну компоненту, підтримує конформацію молекул органічних сполук, обсотує поверхню всіх колоїдних частинок. Без цієї гідратації жодна макромолекула чи структура (фермент, нуклеїнова кислота, мембрана тощо) просто не здатні функціонувати. Чотири останні біологічні аномалії води пов'язані з її функціональною роллю в організації та забезпеченні життєдіяльності кожної структури, клітини, організму загалом. Це має цікавити морфологів, фізіологів, біохіміків, цитологів, гістологів, нанобіологів - усіх, хто вивчає структури та функції біологічних макромолекул і створюваних ними біоструктур - таких, наприклад, як мембрани, органели тощо. Спеціалісти ж, що досліджують воду як таку, її походження, структуру, проблеми кругообігу цього мінералу у Біосфері, забруднення й очищення води, відтворення її якості з метою використання людиною як для технічних, сільськогосподарських, побутових потреб, так і (найголовніше) - для забезпечення своїх фізіологічних процесів, не можуть не враховувати саме перших трьох у наведеному списку біологічних аномалій води. Адже вони безпосередньо стосуються біологічного синтезу, створення окремих молекул води та біологічного розкладу, знищення тих чи інших її молекул.

Тому спинимося на них детальніше.

Перша в цьому списку біологічна аномалія - всеохоплююча. Ідеологічно вона містить у собі і другу, і третю, однак їх варто відокремити, бо перша цікава як загальнобіологічне явище, а дві наступні можуть викликати практичний інтерес у зв'язку з важливістю розмаїття процесів водоутворення. Розглянемо воду не як розчинник, не як складову зовнішнього чи внутрішнього середовищ, у яких відбуваються різноманітні біологічні процеси, а як субстрат для будь-якого організму (рис. 2). Немає на Землі такої живої істоти, яка б не включала молекули води у свої ферментативні процеси, розкладаючи їх на складові, передусім дисоціюючи на Н⁺ і ОН- і залучаючи у численні реакції біохімічного обміну речовин.

Отже, окремі молекули води стають повноцінними субстратами, нарівні з тими чи іншими речовинами (від А до Z), що асимілюються клітинами. Кожна з цих молекул води - субстратів - зникає, розпадається, знищується. Водночас у живій клітині здійснюється низка інших біохімічних реакцій, у результаті яких з'являється, синтезується, утворюється вода, яка є, таким чином, одним з численних (від до ) продуктів обміну (метаболітів) (рис. 2). Слід мати на увазі, що молекули води, які надходять до організму (клітини) і використовуються ним (нею) як субстрат («аква» на рис. 2), не є тими самими молекулами води, котрі виділяються з організму (клітини) як метаболіт («гідро» на рис. 2).

Вода є справді водночас і субстратом, і метаболітом усіх без винятку організмів, і в цьому її біологічна унікальність («аномалія»).

За описом прикладів біологічного синтезу та розкладу молекул води ходити далеко не треба. Достатньо розгорнути будь-який підручник з біохімії. В усіх цих - товстих і тонких - підручниках (із загальної біохімії, біохімії рослин, тварин, мікроорганізмів тощо) є цілі розділи про біосинтез і роль амінокислот і білків, моно- та полісахаридів, нуклеїнових кислот, ліпідів, ферментів і коферментів, вітамінів, глікозидів, алкалоїдів, токсинів тощо. Немає тільки нічого про... біосинтез води. Якщо ж придивитись у цих же підручниках з біохімії до численних хімічних формул (деякі з них наведено нижче), то побачимо дуже цікаву закономірність, яка й свідчить про біологічну аномалію води, а саме: вода - єдина хімічна сполука, що супроводжує біологічні синтез і розклад усіх життєво важливих, абсолютно необхідних - інформаційних, каталітичних, структурних, харчових (запасних), енергетичних та інших - біополімерів, причому молекули води утворюються («народжуються») у процесі утворення молекул біополімерів (формули А - Д) і розщеплюються (гинуть, «вмирають») при розпаді (гідролізі) цих біополімерів. Отже, вода з'являється (синтезується) з народженням будь-якої живої істоти і зникає (розкладається) під час її загибелі та лізису. Біоенергетичні процеси асиміляції води в результаті фотосинтезу загальновідомі:

СО₂ + Н₂О ^світло (СН₂О)^* + О₂.

Пурпурні сіркобактерії, навпаки, виділяють воду під час фотосинтезу:

СО₂ + Н₂S ^світло (СН₂О)^* + 2S + H₂О. (* (СН₂О) - біомаса.)

Обов'язкові для всіх існуючих організмів енергетичні перетворення АТФ АДФ вивчені у найінтимніших деталях. Накопичення енергії при біосинтезі АТФ супроводжується виділенням молекули води; використання цієї енергії для різноманітних біохімічних потреб організму призводить до ферментативного споживання молекули води з її розпадом, зникненням як такої. При диханні - «мокрому горінні» - органічних сполук, біологічному окисненні аміаку, сірководню, заліза і тому подібних процесах, що використовуються організмами як джерело енергії, теж утворюється вода.

Отже, молекули води гинуть і народжуються у біологічних енергетичних процесах, без яких неможливе життя. У ході біосинтезу полісахаридів (целюлози, хітину, пектину, крохмалю тощо) утворюється близько 10% води (за масою). Тобто синтез кожної тонни целюлози супроводжується синтезом майже 100 кг води. При біосинтезі білків відсоток новоутвореної води ще вищий. Перехід АДФ АТФ дає приблизно 3-4% води. У разі повного окиснення однієї молекули гексози (наприклад, глюкози) народжується 6 молекул води:

С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ 6СО₂ + 6Н₂О.

Тобто вихід води у такому процесі становить 60% від маси зужитого організмом вуглеводу. Широко розповсюджене у природі мікробне окиснення вуглеводнів (нафти) спричинює утворення ще більшої (понад 100%) кількості води, а енергетична біоасиміляція метану дає вдвічі більшу масу води, ніж маса використаного газу:

СН₄ + 2О₂ СО₂ + 2Н₂О.

Біологічний синтез окремих молекул води породжує низку запитань, на які поки що немає однозначних, підкріплених експериментами відповідей. Запитання ж ці, на наш погляд, цікаві не тільки для науки. Пошук відповідей на них може мати далекосяжні, цінні для практики, зокрема для охорони здоров'я, результати.

Перше. Чи вони абсолютно однакові - всі ці молекули води, що утворюються у процесах біосинтезу полімерів, енергетичних трансформаціях тощо…

Можна припустити, що зв'язок ? С-ОН (формула А,1) у дезоксирибозі енергетично відрізняється від зв'язку Р-ОН (формула А, 2), і, відповідно, вплив залишку молекули дезоксирибози на її гідроксил (1) відрізняється від впливу фосфатного залишку на його гідроксил (2). Така сама ситуація складається у «взаємовідносинах» між залишками молекул мономерів із залишками їхніх водневих атомів, що, відриваючись від «своїх» молекул і з'єднуючись з «чужими» гідроксилами, утворюють воду. І тому не важко собі уявити, що відповідні молекули води - 1^А та 2^А, либонь, будуть дещо різні. Ще більша різниця має бути між молекулою води 1^В, яка утворюється при з'єднанні аденіну з рибозою, та молекулою води 2^В, що «народжується» під час макроергічного зв'язку при переході АДФ АТФ (формула В). Молекули води 1^Б та 2^Б, а особливо 1^Д і 2^Д, які утворюються при біосинтезі, відповідно, білка (формула Б) та целюлози (формула Д), мабуть, відрізняються між собою не так суттєво, як, скажімо, молекули 1^Г та 2^Г (формула Г) або 2^Б_, 2^В, і 2^Д (формули Б, В, Д).

Запитання друге, що тісно пов'язане з першим або навіть випливає з нього: про «пам'ять» кожної окремої біосинтезованої молекули води (не про «пам'ять води» як рідини, що нею можна вмитися чи її випити - води у склянці, пробірці, у відрі - про пам'ять такої води багато що сказано і досліджено). Тут йдеться про те, чи «пам'ятає» окрема молекула води своїх «батьків», які її «породили»: молекул амінокислот, цукрів, нуклеотидів, фосфорної кислоти... А якщо пам'ятає, то що саме, у чому полягає ця пам'ять, чи і за яких обставин корегується та нівелюється унікальна за походженням структура кожної молекули води, а якщо зберігається, то доки - до з'єднання з іншими молекулами води у звичну для нас рідину, до гуртового замерзання, до відриву від поверхні води при випаровуванню... А може, кожна молекула води несе цю пам'ять усе своє життя, аж до «смерті», коли вона розкладається при електро-, радіо- або фотолітичній дисоціації, електролізі, хімічній взаємодії з деякими металами, галогенами та іншими елементами тощо, або коли вона потрапляє у біологічні (метаболічні) «жорна» процесу гідролізу вказаних вище біополімерів і відповідні ферменти «розривають» її на частини…

Третє. Чи походження молекул води певним чином не впливає на наш організм при її споживанні…

I четверте. Чи не саме ця «біологічно народжена вода» є найбільш корисною для людини? Як сприймає таку воду людський організм і чи не є вона більш фізіологічною, повноціннішою, ніж первісна, абіотична вода, ювенільна вода хімічного походження?

Ось на такі запитання, котрі поки що залишаються без відповіді, наштовхують нас біологічні аномалії води.

Отже, у вічному біологічному кругообігу води беруть безпосередню участь усі живі організми. В результаті біохімічних реакцій утворення нового життя, мінералізації органічних речовин, «мокрого спалювання» їх з отриманням енергії для здійснення фізіологічних процесів кожен організм постійно синтезує, створює і виділяє у довкілля воду. Можна стверджувати, що будь-яка жива істота є заводом з виробництва води. Продуктивність цих заводів заслуговує на особливу увагу, тим паче, що працюють вони безперервно 24 години на добу, а кількість їх просто не піддається обчисленню.

Біологічні особливості (аномалії) води роблять її неперевершеною, постійно відновлюваною у Біосфері сполукою, яка багаторазово і нескінченно споживається і відтворюється всіма сущими на Землі організмами.

Вода безпосередньо причетна до самого виникнення Життя. Складається враження, що вона була не тільки головним «будівельним матеріалом», з якого постало все живе, а й тим дієвим, можливо, навіть консолідуючим, організуючим чинником, навколо якого кристалізувалося Життя.

Коран (24:44) стверджує: «Аллах сотворив усяку тварину з води», а у Біблії (Друге послання св. Петра, 3, 5): «... земля із води та водою складена словом Божим».

Цікаво, чи біологічні аномалії води - це похідні з її фізичних аномалій (що здається очевидним), чи навпаки: фізичні аномалії - це детермінована необхідність для забезпечення Життя. Іншими словами: чи вода має аномальні властивості для того, щоби відбулося Життя, а чи саме Життя скористалося з аномальних властивостей води?

І хоч як би там було, вода, з усіх точок зору, заслуговує на те, щоби ставитися до неї як до справжнього дива, справді безцінного дару Божого, життєдайного мінералу, котрий необхідно цінувати, оберігати як одну з найбільших і незбагненних святинь.

Сформульовано перші сім біологічних аномалій води. Ці аномалії породжують ряд різноманітних - природничо-наукових, сакрально-філософських, життєво-побутових питань, як от: чи існують якісь відмінності між окремими молекулами води біологічного походження? Чи вода має аномальні властивості для того, щоби зародилося Життя, а чи саме Життя скористалося з аномальних властивостей води? Яку воду - біогенну чи ювенільну - потрібно пити? Над цими питаннями треба лише розмірковувати, але однозначних відповідей на них наука поки що не дає.

Размещено на Allbest.ru