ВОДА И ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЖИЗНИ

Жизнь зародилась в воде. За последние десятилетия учёные, используя самые разные

виды энергии, получили в лабораторных условиях самые разнообразные "органические"
вещества. Во всех этих опытах моделировались условия первичной бескислородной
атмосферы.
Было установлено, что первичной бескислородной атмосфере древней Земли был
возможен синтез "органических" молекул за счет энергии коротковолнового
ультрафиолетового излучения Солнца, энергии электрических разрядов или за счет других
геотермальных источников энергии.

Энергия молнии и геотермальных источников Земли использовалась для синтеза первых
органических молекул.

Среди соединений, входящих в состав современных организмов входят белки,
полисахариды, липиды и нуклеиновые кислоты. Белки, полисахариды, липиды и другие
подобные соединения функционируют во всех жизненно-важных процессах, а
нуклеиновые кислоты управляют процессами воспроизведения, обеспечивая создание
новых молекул. Все белки состоят из большого числа строительных блоков - молекул
аминокислот. Обычно в составе природных белков встречается около 20 различных
аминокислот. Отдельные их молекулы соединяются в цепи, образуя так называемые
полипептиды Некоторые белки состоят из нескольких полипептидных цепей,
объединенных друг с другом в одну молекулу.

Структура белка – цитохрома С

Нуклеиновые кислоты представлены двумя главными типами молекул.
Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), находится в ядрах клеток, а рибонуклеиновая
кислота (РНК) в основном находится вне ядра, в цитоплазме. Лишь у некоторых простых
организмов типа вирусов имеется только одна нуклеиновая кислота - РНК или ДНК.
Молекулы нуклеиновых кислот несут генетическую информацию. Благодаря ей новые
молекулы в точности похожи на те, которым требуется замена или пополнение.

Молекула ДНК

Молекулы нуклеиновых кислот состоят из двух длинных цепей, закрученных одна вокруг
другой, так что получается спиральная структура - так называемая двойная спираль.
Каждая цепь построена из сходных блоков - нуклеотидов. Каждый нуклеотид цепи в свою
очередь состоит из трех частей: фосфорной кислоты, сахара - дезоксирибозы (рибозы)- и
какого-либо одного из четырех азотистых оснований. Четыре азотистых основания,
входящих в состав ДНК, - это аденин и гуанин (пуриновые основания) и тимин и цитозин
(пиримидиновые основания; в РНК вместо тимина присутствует урацил).
Две полинуклеотидпые цепи молекулы ДНК "скреплены" в двойную спираль
водородными связями, которые образуются между пуриновыми основаниями одной цепи
и пиримидиновыми основаниями другой.
Первые эксперименты по неорганическому синтезу "органических" веществ в условиях
первобытной Земли, провел С. Миллер. Он использовал очень простой прибор - колбу, в
которой создаются электрические разряды. Прибор заполнялся водой и смесью газов -
водородом, метаном и аммиаком; свободный кислород в колбу не допускался. В верхней
части колбы непрерывно создавались сильные электрические разряды. Внизу нагревалась
до кипения вода, создавая циркуляцию пара и воды.

Устройство аппарата, в котором под действием искрового разряда из водорода,
метана, воды и аммиака в отсутствии кислорода образуются органические соединения.

В качестве источника энергии использовался не ультрафиолет, а искровой разряд.
Поскольку разряд дает меньше энергии, чем ультрафиолет, в последующих экспериментах
использовали ультрафиолет. При этом из метана, аммиака и водорода синтезировались
органические соединения – альдегиды и аминокислоты.
Оригинальные эксперименты Миллера вызвали большой интерес среди учёных всего
мира. К сходным опытам приступили многие ученые во всем мире, среди них американцы
[3, 28, 29, 31], немцы [19] и наши соотечественники [27].

Распределение соединений, полученных в опытах Миллера, по массе и сложности (диаграммы построены по данным С. Миллера).

В 1960 году Уилсон [43], добавив в исходный раствор серу, получил более крупные
молекулы полимеров, содержащие по 20 и более атомов углерода. В колбе были
обнаружены странные тонкие пленки размером около 1 см (см. фото 1). Это были
поверхностно-активные вещества, скопившиеся на поверхности раздела газ - жидкость в
виде тонких пленок. Учёные считают, что эти пленки молекул, синтезировавшихся на
границе между разными фазами, играли важную роль на ранних стадиях возникновения
жизни.

Фото 1. Плоские плёнки органических макромолекул, образующихся при искровых
разрядах в смеси аммиака, сероводорода, паров воды и золы пекарских дрожжей.

А катализатором образования подобных пленок служила, по-видимому, сера. Это связано
с тем, что на примитивной Земле сера, была широко распространена в форме зерен
сульфидов (например, в пиритовых песках).
Поннамперума и сотр. [31] проводили эксперименты, подобные экспериментам Миллера,
но с использованием в качестве источника энергии ультрафиолетового света. Хотя по
теоретическим соображениям синтезы, идущие под действием ультрафиолета, не должны
принципиально отличаться от тех, которые вызываются электрическим разрядом, важно
было получить экспериментальное подтверждение этого факта. Ведь в условиях
первичной атмосферы гораздо больше энергии поступало с ультрафиолетовым
излучением.
Исследователи не только смогли синтезировать аминокислоты и пурины, т. е.
строительные блоки белков и нуклеиновых кислот соответственно, но и, используя
особые условия, смогли синтезировать из этих блоков полимеры. Оказалось, например,
что в присутствии цианистого водорода аминокислоты полимеризуются, образуя
пептидные цепи. Причём при добавлении фосфорной кислоты получались различные
нуклеотиды [31, 33-36, 39].
Интересные результаты получил американский учёный Оро и сотр. [28, 29], показавший,
что более крупные "органические" молекулы можно синтезировать и без помощи
ультрафиолета, просто нагревая среду в реакционной смеси.
Известно, что в условиях восстановительной атмосферы малые "органические" молекулы
могли синтезироваться за счет энергии ультрафиолетового излучения Солнца. Однако
условия на Земле в эпоху примитивной атмосферы были для ранней жизни не менее
опасными, чем они оказались бы для современной. Хотя ранняя жизнь в бескислородной
атмосфере не подвергалась окислению, ничто не защищало ее от губительного
воздействия жесткого ультрафиолетового излучения.
Поэтому надо учитывать, что при переходе от преджизни к жизни и во время дальнейшего
развития ранней жизни, возможно, использовались уже другие источники энергии.
Например, свободные радикалы и малые "органические" молекулы создавались за счет
высокоэнергетического ультрафиолетового излучения Солнца, а для синтеза из малых
молекул других, более сложных соединений годились и менее мощные источники
энергии.
В опытах Оро и его сотрудников водные смеси простых "органических" молекул
оставлялись на несколько дней при температуре от комнатной до 150 С. Таким образом, в
отношении температуры эти эксперименты, как правило, не выходили за пределы
условий, к которым может приспособиться современная жизнь.
Некоторые результаты анализов полученных соединений показаны на рисунке ниже. Так,
в растворах формальдегида с гидроксиламином, формальдегида с гидразином и в
растворах, содержащих цианистый водород, в конце опыта были обнаружены
аминокислоты. В других экспериментах эти продукты полимеризовались в пептидные
цепи - большой шаг к неорганическому синтезу белка. В системе с раствором цианистого
водорода в водном аммиаке даже появлялись более сложные соединения - пурины и
пиримидины (азотистые основания, входящие в состав нуклеиновых кислот).

Рис.. Предполагаемый механизм образования пуринов из водной смеси аммиака и
цианистого водорода: промежуточные продукты - 4-аминоимидазол-5-карбокоамидин
(АИКАМ) и 4-аминоимидазол-5-карбоксамид (АИКА)-были найдены в растворе.

Все эти эксперименты указали возможный путь перехода от синтеза малых
"органических" молекул за счет энергии ультрафиолетового солнечного излучения
Солнца к более сложным "органическим" молекулам, образующимся при менее жестких
воздействиях.
Совершенно другим путем в попытках синтезировать неорганическим путем большие
молекулы белков пошёл американский учёный Фокс и сотр. [8, 9, 15]. Как известно,
молекулы белков построены из одной или нескольких полипептидных цепей, а те в свою
очередь состоят из большого числа разных аминокислот. После того как образовались
аминокислоты, может произойти следующий важный этап - их конденсация в
полипептидные цепи.

Учёные считают, что выделение молекулы воды, сопровождающее реакцию
конденсации двух молекул аминокислот, - факт большой важности.

Поскольку
реакция поликонденсации сопровождается дегидратацией, скорость превращения будут
выше при удалении воды из системы. Это соображение привело учёных к выводу, что
раннее развитие жизни должно было происходить вблизи действующих вулканов, - в
ранние периоды геологической истории вулканическая деятельность шла более активно,
чем в последующие времена.
Однако дегидратация сопровождает не только полимеризацию аминокислот, но и
объединение других строительных блоков в более крупные "органические" молекулы.
Такое объединение всегда связано с реакцией конденсации, при которой от одного блока
"отщепляется" атом водорода, а от другого - гидроксильная группа.
Первым возможность проведения реакций конденсации-дегидратации в условиях
"первичного бульона" доказал американский учёный Кальвин. Дело в том, что из всех
соединений лишь синильная кислота способна связывать молекулы воды "первичного
бульона". Присутствие в "первичном бульоне" синильной кислоты доказана уже первыми
экспериментами Миллера.

Рис. Реакции конденсации с дегидратацией, приводящие к образованию из отдельных
строительных блоков более крупных "органических" молекул. Верхние три уравнения:
конденсация и последующая полимеризация аминокислот и в белки, сахаров в
полисахариды и кислот и спиртов в липиды. Нижнее уравнение - конденсация аденина с
рибозой и фосфорной кислотой, в результате чего образуется нуклеотид.
Полимеризация нуклеотидов в цепь нуклеиновой кислоты также представляет собой
реакцию конденсации и протекает с выделением молекул воды.

Далее, оказалось, что два других, несколько более сложных соединения - цианамид и
дицианамид HN(C = N)2 - обладают ещё большей дегидратирующей способностью.
Реакции с ними более сложны, их механизм еще не выяснен окончательно [22]. В
присутствии синильной кислоты и цианамидов конденсация отдельных блоков,
сопровождаемая дегидратацией, может идти при нормальных температурах в сильно
разбавленных водных растворах [24].
Интересные выводы сделал Эйбелсон [1], установивший, что реакции с синильной
кислотой сильно зависят от кислотности водных растворов, в которых они протекают. Эти
реакции не идут в кислых средах, тогда как щелочные условия (рН 8-9) им
благоприятствуют. Учёные до сих пор спорят мог ли первичный океан имел такой состав,
но вполне вероятно, что именно таким рН обладала озерная вода, соприкасавшаяся с
базальтом, и эти реакции вполне могли происходить при контакте с базальтовыми
породами.
Исследователи провели эксперименты, в которых безводную смесь аминокислот
подвергали воздействию температур до 170 С. Оказалось, что наилучшие результаты по
поликонденсации получаются со смесями, содержащими аспарагиновую и глутаминовую
кислоты. Почему это так, до сих пор непонятно. Кстати, интересно, что именно эти две
аминокислоты относятся к числу важнейших аминокислот, встречающихся в
современных организмах.
Интересно, что при этом образовывались соединения, названные протеиноидами, сходные
с природными белками. Так, они состояли из крупных молекул с молекулярной массой до
300000, сложенных из тех же блоков, что и природный белок. Они содержали 18 из 23
аминокислот, обычно встречающихся у современных организмов. Таким образом, они
отвечали общему определению белка. С природным белком они сходны и по ряду других
важных свойств, например по связыванию полинуклеотидов [41], по пригодности в пищу
бактериям и крысам, по способности вызывать реакции, сходные с теми, которые
катализируются ферментами в организмах. Так, эти искусственно синтезированные
"органические" соединения способны каталитически разлагать глюкозу. Активность их,
правда, мала, но, как указывается в сообщении об этом [14], "...первым белкам достаточно
было проявлять хотя бы слабую активность". Кроме того, эти вещества могут оказывать
действие, аналогичное действию меланоцитстимулирующего гормона [16].
Другое важное свойство протеиноидных соединений - их "ограниченная гетерогенность".
Это значит, что последовательность аминокислот в их пептидных цепях не совершенно
случайна, а, напротив, более или менее закономерна.
Но в то время было невозможно провести строгое сравнение этих искусственных
соединений с природными белками, так как молекулы белков настолько сложны, что
структура большинства из них еще не определена с достаточной точностью. Стремясь
подчеркнуть сходство этих искусственных белковоподобных соединений с природными
белками, Фокс назвал их протеиноидами. Поскольку они были синтезированы под
действием тепла, в дальнейшем их стали называть "термическими протеиноидами".
С тех пор многое было сделано для изучения активности этих соединений - протеиноидов.
Следует подробнее рассказать об одном интересном эксперименте - об образовании
микросфер из термических протеиноидов. Этот процесс несложен. Промывая горячую
смесь искусственных полимеров водой или водными растворами солей, получают
многочисленные микросферы. Они очень малы, их диаметр - около 2 мкм. Их
морфологические особенности показаны на фото 2.

Фото 2. Протеноидные микросферы, сдвоенные при увеличении рН среды.

Следует отметить, что эти микросферы довольно стабильны. Если их помещают в
растворы иной концентрации, чем концентрация раствора, в котором они образовались, то
можно наблюдать их реакцию. В слишком концентрированных растворах они
сморщиваются, в разбавленных набухают, т. е. их реакция на изменение осмотического
давления сходна с реакцией живых клеток. Видимо, это объясняется наличием у них
полупроницаемой наружной оболочки, сходной с мембраной. Судя по электронным
микрофотографиям, эта оболочка может быть даже двойной.
Образование микросфер из термических протеиноидов важно потому, что оно дает нам
материал для суждения о том, как мог произойти следующий шаг в развитии жизни. Это
шаг от разрозненных "органических" молекул к группам таких молекул, собранным в
отдельные структуры и отделенным от окружающего мира своеобразной примитивной
мембраной – коорцерватам, что было продемонстрировано нашим соотечественником
А.И. Опариным.
С учётом вышесказанного происхождение жизни выглядит так: Первым этапом было
образование при очень высоких температурах аминокислот. Такой синтез вполне
возможен наряду с другими, т. е. при воздействии электрических разрядов,
ультрафиолетового излучения и высокой температуры. Возможность такого термического
синтеза экспериментально доказана Харадой и Фоксом [21]. Следующий этап -
поликопденсация полученных аминокислот при температуре 170 или 65 С (в последнем
случае в присутствии некоторых фосфатов). Эта поликондепсация происходит, если в
смеси имеется достаточно аспарагиновой и глутаминовой кислот. В смеси протеиноидов
при воздействии на нее водой или кислыми водными растворами (дождем) образуются
микросферы. Способность протеиноидов к выполнению некоторых функций, сходных с
функциями молекул живых организмов, выражается в том, что они могут в присутствии
гидрата окиси цинка расщеплять нуклеотид АТФ, т. е. обладают слабой ферментативной
активностью.
В настоящее время есть много способов экспериментального получения "органических"
молекул неорганическим путем в условиях, моделирующих первичную атмосферу. Но,
результаты этих экспериментов с геологической точки зрения не являются
удовлетворительными, поскольку довольно трудно моделировать геологическое прошлое.
Для появления первых древнейших форм жизни естественным путем существенно важны
два условия. Во-первых, атмосфера должна быть бескислородной, во-вторых, должно
иметься все необходимое для построения "органических" молекул - атомы углерода,
азота, неорганические катализаторы, вода и т. д. Если эти условия будут выполнены,
немедленно начнется образование "органических" соединений.
Но это означает, что формирование жизни - процесс, свойственный не только нашей
Земле. В принципе, на любой планете, отвечающей двум вышеизложенным требованиям,
находилась она в нашей Солнечной или в любой другой системе, могут идти аналогичные
процессы. Ведь бескислородная атмосфера, содержащая нужные для синтеза
"органических" соединений атомы и молекулы, - обычное для Вселенной явление.
Остается одно главное условие для образования жизни - наличие жидкой воды.
Таким образом, неорганическое образование "органических" соединений -
распространенный космический процесс.
Многие вопросы происхождения жизни остаются открытыми до сих пор, например,
изотопный состав первичного бульона. Дело в том, что в условиях первичной
атмосферы и гидросферы в условиях геотермальной активности и искровых
разрядах в водной среде могли образовываться и накапливаться незначительные
количества тяжёлой воды.
Учёные считают, что гравитационное поле Земли – недостаточно сильно для
удержания водорода, и наша планета постепенно теряет водород в результате его
диссоциации в межпланетное пространство. Водород улетучивается быстрее
тяжелого дейтерия. Поэтому в течение геологического времени должно происходить
накопление дейтерия в атмосфере и в поверхностных водах. Тяжёлая вода
улетучивается медленнее, чем обычная вода, а конденсируется быстрее.
На нашей планете осуществляется гигантский испарительно-конденсационный
процесс разделения воды и обогащения её из туч и облаков, в то время как тяжёлая
вода накапливается в закрытых водоёмах.
Можно предположить, что в те времена первичный бульён был разбавлен этой
тяжёлой водой и синтез первых органических соединений происходил в её
присутствии. Связи С-D более стабильны чем связи С-Н. По теории абсолютных
скоростей разрыв С-Н-связей может происходить быстрее, чем C-D-связей,
подвижность дейтерия D+ меньше, чем подвижность протия Н+, константа
ионизации тяжёлой воды в 5 раз меньше константы ионизации обычной воды. Всё
это может наложить отпечаток на кинетику химико-ферментативных реакций (О. В.
Мосин).

К.х.н. О.В. Мосин

Литературные источники:

1. Abelson Ph. Я., Chemical events on the"primitive earth,"Proc. Natl. Acad. Sci. U. S., 55,
1365-1372 (1966).
2. Bernal J. D., The Origin of Life, Weidenfeld and Nicolson, London, 345, 1967 Джон Бериал,
Возникновение жизни, изд-во "Мир", М., 1969).
3. Calvin. М., Chemical evolution, Proc. Roy. Soc. (London), Ser. A, 288, 441-466 (1965).
4. Calvin M., Chemical Evolution, Clarendon, Oxford, 278 pp., 1969 (М. Кальвин, Химическая
эволюция, изд-во "Мир", М., 1971).
5. Craford В., Jr., Chemical analysis by infrared, Sci. Am., 189, 8 pp. (1953).
6. Eck R. V., Lipincott E. R., Dayhoff M. O., Pratt Y. T.t Thermodynamic equilibrium and the
inorganic origin of organic compounds, Science, 153,628-633 (1966).
7. Eglinton G., Calvin M., Chemical fossils, Sci. Am., 216 (1), 32-43 (1967).
8. Fox S. W., A theory of macromolecular and cellular origins, Nature, 205, 328-340 (1965).
9. Fox S. W., Simulated natural experiments in spontaneous organization of morphological units
from proteinoid. In: S. W. Fox (Editor), The Origins of Prebiological Systems, Academic Press,
New York, N. Y., pp. 361-373, 1965 (Происхождение предбиологических систем, изд-во
"Мир",М., 1966).
10. Fox S, Experiments suggesting evolution to protein. In: V. Bryson and H. J. Vogel (Editors),
Evolving Genes and Proteins, Academic Press, New York, N. Y., 359-70, 1965.
11. Fox S., Self-assembly of the protocell from a self-ordered polymer, J. Sci. Ind. Res., 27,
267-274 (1968).
12. Fox S. W., A new view of the "synthesis of life", Quart. J. Florida Acad. Sci., 31, 1-15 (1968).
13. Fox S. W., Spontaneous generation, the origin of life and self assembly, Currents Modern
Biol., 2, 235-240 (1968).
14. Fox S. W., Krampitz G., Catalytic decomposition of glucose in aqueous solution by thermal
proteinoids, Nature, 203, 1362-1364 (1964).
15. Fox S. W., WaehneldtT. F., The thermal synthesis of neutral and basic proteinoids, Biochim.
Biophys. Acta, 160, 246-249 1968).
16. Fox S. W., Wang С. Т., Mclanocytestimulating hormone: Activity in thermal polymers of
alpha-ammo acids, Science, 160, 547-548 (1968).
17. Fruton J. S., Simmonds L., General Biochemistry, 2nd ed., Wiley, New York, N. Y., 1077 pp.,
1958.
18. Gray G. W., Electrophoresis, Sci. Am., 185, 11 (1951).
19. Groth W., von Weyssenhoff H., Photochemische Bildung organischer Verbindungen aus
Mischungen einfacher Gase, Ann. Ehys., 4, 69-77 (1959).
20. Haggis G. H. (Editor), Molecular Biology, Wiley, New York, N. Y.,401, 1964.
21. Harada I., Fox S. W., Thermal synthesis of natural ammo-acids from a postulated primitive
terrestrial atmosphere, Nature, 201, 335-336 (1964).
22. Huntress W. Т., Jr., В aldesch wieler J. Z., Ponnamperuma C., Ion-molecule reactions in
hydrogen cyanide, Nature, 223, 468-471 (1969).
23. Keller R. A., Gas chromatography, Sci. Am., 205, 11 (1961).
24. Mathews C. N., Moser R., Peptide synthesis from hydrogen-cyanide and water, Nature, 215,
1230-1234 (1968).
25. Miller S. L., Formation of Organic Compounds on the Primitive Earth. In: Опарин А. И.
(ред.), The Origin of Life on Earth, Pergamon, London, 123-135, 1959
26. Meister, Biochemistry of the Ammo Acids, 2nd ed., Academic Press,New York, N. Y., 1, 119,
1965 (перевод 1-го издания: А. Майстер, Биохимия аминокислот, ИЛ, М., 1961).
27. Опарин А. И., Пути начального формирования обмена веществ и искусственное
моделирование этого формирования в коацерватных каплях. In: S. W. Fox (Editor), Origins
of Prebiological Systems, Academic Press, New York, N. Y., 331-341, 1965 (Происхождение
предбиологических систем, изд-во "Мир", стр. 335, М., 1966).
28. Оro, Investigation of organo-chemical evolution. In: G. Marnikunian and М. Н. Briggs
(Editors), Current Aspects of Exobiology, Pergamon,London, 13-76, 1965.
29. Оrо J., Prebiological organic systems. In: S. W. Fox (Editor), The Origin of Prebiological
Systems, Academic Press, New York, N. Y., 137-162, 1965 (Происхождение
предбиологических систем, изд-во "Мир", стр. 144, М., 1966).
30. Pauling L., College Chemistry, 3rd ed.,Freeman, San Francisco, Calif., 832 pp., 1964.
31. Ponnamperuma C., Abiological synthesis of some nucleic acid constituents. In: S. W. Fox
(Editor), The Origin of Prebiological Systems, Academic Press, New York, N. Y., 221-236, 1965
Происхождение предбиологических систем, изд-во "Мир", стр. 224, М., 1966)
32. Ponnamperuma С., Gabel N., Prebiological synthesis of organic compounds. In: A.
Renbaum and R. F. Landell (Editors), Chemistry in Space Research, 1969.
33. Ponnamperuma C., Mack R., Nucleotide synthesis under possible primitive earth conditions,
Science, 148, 1221-1223 (1965).
34. Ponnamperuma C., Peterson E., Peptide synthesis from amino acids in aqueous solution,
Science, 147, 1572-1573 (1965).
35. Rabinowitz J. S., Chang S., Ponnamperuma C., Phosphorylation of inorganic phosphate as a
potential prebiotic process, Nature, 218, 442-443(1968).
36. Schwartz A., Ponnamperuma C., Phosphorylation of adenosine with linear polyphosphate
salts in aqueous solution, Nature, 218, 443 (1968).
37. Stein W., Moore S., Chromatography, Sci. Am., 184, 9 pp. (1951).
38. Steinman G., Sequence generation in prebiological peptide systems, Arch. Biochem.
Biophys,, 121, 533-539 (1967).
39. Steinman G., Smith A. E., Silver J., Synthesis of a sulfur-containing amino acid under
simulated prebiotic conditions, Science, 159, 1108-1109(1968).
40. Supina W. R., Henley R. S., Gas chromatography-snooper par excellence,Chemistry, 37,
12-17 (1964).
41. Waehneldt T, V., Fox S. W., The binding of basic proteinolds with organismic or thermally
synthesized polynucleotides, Biochem. Biophys. Acta,160, 239-245 (1968).
42. Willard Н. Я., Merrit L. L., Dean J. A., Instrumental methods of analysis, 3rd ed., Van
Nostrand, Princeton, N. J., 626 pp., 1958.
43. Wilson А. Т., Synthesis of macromoleculcs, Nature, 188, 1007-1009(1960).
44. Young R. S., Ponnamperuma C., Early evolution of life, B. S. C. S. Pamphlets, Heath,
Boston, 11, 29, 1964.
45. О.В. Мосин, Д.А. Складнев, В.И. Швец. Биотехнология, 2001.

ВОДА И ДНК

Вода — вещество привычное и необычное. Почти 3/4 поверхности нашей планеты занято

океанами и морями. Твёрдой водой — снегом и льдом — покрыто 20% суши. От воды
зависит климат планеты. Геофизики утверждают, что Земля давно бы остыла и
превратилась в безжизненный кусок камня, если бы не вода. У неё очень большая
теплоёмкость. Нагреваясь, она поглощает тепло; остывая, отдаёт его. Земная вода и
поглощает, и возвращает очень много тепла и тем самым "выравнивает" климат. А от
космического холода предохраняет Землю те молекулы воды, которые рассеяны в
атмосфере — в облаках и в виде паров.
Вода – самое загадочное вещество в природе после ДНК, обладающее уникальными
свойствами, которые не только ещё полностью не объяснены, но далеко не все известны.
Чем дольше ее изучают, тем больше находят новых аномалий и загадок в ней.
Большинство из этих аномалий, обеспечивающих возможность жизни на Земле,
объясняются наличием между молекулами воды водородных связей, которые много
сильнее вандерваальсовских сил притяжения между молекулами других веществ, но на
порядок величины слабее ионных и ковалентных связей между атомами в молекулах.
Такие же водородные связи также присутствуют и в молекуле ДНК.
Молекула воды (H216O) состоит из двух атомов водорода (H) и одного атома кислорода
(16O). Оказывается, что едва ли не все многообразие свойств воды и необычность их
проявления определяется, в конечном счете, физической природой этих атомов, способом
их объединения в молекулу и группировкой образовавшихся молекул.

Рис. Строение молекулы воды. Геометрическая схема (а), плоская модель (б) и пространственная электронная структура (в) мономера H2O. Два из четырех электронов внешней оболочки атома кислорода участвуют в создании ковалентных связей с атомами водорода, а два других образуют сильно вытянутые электронные орбиты, плоскость которых перпендикулярна плоскости Н-О-Н.

Молекула воды H2O построена в виде треугольника: угол между двумя связками кислород
— водород 104 градуса. Но поскольку оба водородных атома расположены по одну
сторону от кислорода, электрические заряды в ней рассредоточиваются. Молекула воды
полярная, что является причиной особого взаимодействия между разными её молекулами.
Атомы водорода в молекуле H2O, имея частичный положительный заряд,
взаимодействуют с электронами атомов кислорода соседних молекул. Такая химическая
связь называется водородной. Она объединяет молекулы H2O в своеобразные ассоциаты
пространственного строения; плоскость, в которой расположены водородные связи,
перпендикулярны плоскости атомов той же молекулы H2O. Взаимодействием между
молекулами воды и объясняются в первую очередь незакономерно высокие температуры
её плавления и кипения. Нужно подвести дополнительную энергию, чтобы расшатать, а
затем разрушить водородные связи. И энергия эта очень значительна. Вот почему так
велика теплоёмкость воды.
В молекуле воды имеются две полярные ковалентные связи Н–О. Они образованы за счёт
перекрывания двух одноэлектронных р — облаков атома кислорода и одноэлектронных S
— облаков двух атомов водорода.

В соответствии с электронным строением атомов водорода и кислорода молекула воды
располагает четырьмя электронными парами. Две из них участвуют в образовании
ковалентных связей с двумя атомами водорода, т.е. являются связывающими. Две другие
электронные пары являются свободными - не связывающими. Они образуют электронное
облако. Облако неоднородно – в нем можно различить отдельные сгущения и разрежения.
В молекуле воды имеются четыре полюс зарядов: два — положительные и два —
отрицательные. Положительные заряды сосредоточены у атомов водорода, так как
кислород электроотрицательнее водорода. Два отрицательных полюса приходятся на две
не связывающие электронные пары кислорода.
У кислородного ядра создается избыток электронной плотности. Внутренняя электронная
пара кислорода равномерно обрамляет ядро: схематически она представлена окружностью
с центром -ядром O2-. Четыре внешних электрона группируются в две электронные пары,
тяготеющие к ядру, но частично не скомпенсированные. Схематически суммарные
электронные орбитали этих пар показаны в виде эллипсов, вытянутых от общего центра –
ядра O2-. Каждый из оставшихся двух электронов кислорода образует пару с одним
электроном водорода. Эти пары также тяготеют к кислородному ядру. Поэтому
водородные ядра – протоны – оказываются несколько оголенными, и здесь наблюдается
недостаток электронной плотности.
Таким образом, в молекуле воды различают четыре полюса зарядов: два отрицательных
(избыток электронной плотности в области кислородного ядра) и два положительных
(недостаток электронной плотности у двух водородных ядер). Для большей наглядности
можно представить, что полюса занимают вершины деформированного тетраэдра, в
центре которого находится ядро кислорода.

Рис. Строение молекулы воды: а – угол между связями O-H; б – расположение полюсов
заряда; в – внешний вид электронного облака молекулы воды.

Почти шарообразная молекула воды имеет заметно выраженную полярность, так как
электрические заряды в ней расположены асимметрично. Каждая молекула воды является
миниатюрным диполем с высоким дипольным моментом – 1,87 дебая. Дебай –
внесистемная единица электрического дипольного 3,33564·1030 Кл·м. Под воздействием
диполей воды в 80 раз ослабевают межатомные или межмолекулярные силы на
поверхности погруженного в нее вещества. Иначе говоря, вода имеет высокую
диэлектрическую проницаемость, самую высокую из всех известных нам соединений.
Во многом благодаря этому, вода проявляет себя как универсальный растворитель. Ее
растворяющему действию в той или иной мере подвластны и твердые тела, и жидкости, и
газы.
Удельная теплоемкость воды наибольшая среди всех веществ. Кроме того, она в 2 раза
выше, чем у льда, в то время как у большинства простых веществ (например, металлов) в
процессе плавления теплоемкость практически не изменяется, а у веществ из
многоатомных молекул она, как правило, уменьшается при плавлении.
Подобное представление о строении молекулы позволяет объяснить многие свойства
воды, в частности структуру льда. В кристаллической решётке льда каждая из молекул
окружена четырьмя другими. В плоскостном изображении это можно представить так:

Связь между молекулами осуществляется посредством атома водорода. Положительно
заряженный атом водорода одной молекулы воды притягивается к отрицательно
заряженному атому кислорода другой молекулы воды.

Такая связь получила название водородной (её обозначают точками). По прочности водородная связь примерно в 15 — 20 раз слабее ковалентной связи. Поэтому водородная связь легко разрывается, что наблюдается, например, при испарении воды.

Рис. Водородные связи между молекулами воды

Структура жидкой воды напоминает структуру льда. В жидкой воде молекулы также
связаны друг с другом посредством водородных связей, однако структура воды менее
"жёсткая", чем у льда. Вследствие теплового движения молекул в воде одни водородные
связи разрываются, другие образуются.

Рис. Кристаллическая решётка льда.

Молекулы воды H2O (чёрные шарики) в её узлах
расположены так, что каждая имеет четырёх „соседок“.
Полярность молекул воды, наличие в них частично нескомпенсированных электрических
зарядов порождает склонность к группировке молекул в укрупненные «сообщества» –
ассоциаты. Оказывается, полностью соответствует формуле Н2O лишь вода, находящаяся
в парообразном состоянии. Это показали результаты определения молекулярной массы
водяного пара. В температурном интервале от 0 до 100°С концентрация отдельных
(мономерных молекул) жидкой воды не превышает 1%. Все остальные молекулы воды
объединены в ассоциаты различной степени сложности, и их состав описывается общей
формулой (H2O)x.
Непосредственной причиной образования ассоциатов являются водородные связи между
молекулами воды. Они возникают между ядрами водорода одних молекул и
электронными «сгущениями» у ядер кислорода других молекул воды. Правда, эти связи в
десятки раз слабее, чем «стандартные» внутримолекулярные химические связи, и
достаточно обычных движений молекул, чтобы разрушить их. Но под влиянием тепловых
колебаний так же легко возникают и новые связи этого типа. Возникновение и распад
ассоциатов можно выразить схемой:
x·H2O↔ (H2O)x
Поскольку электронные орбитали в каждой молекуле воды образуют тетраэдрическую
структуру, водородные связи могут упорядочить расположение молекул воды в виде
тетраэдрических координированных ассоциатов.
Большинство исследователей объясняют аномально высокую теплоемкость жидкой воды
тем, что при плавлении льда его кристаллическая структура разрушается не сразу. В
жидкой воде сохраняются водородные связи между молекулами. В ней остаются как бы
обломки льда - ассоциаты из большого или меньшего числа молекул воды. Однако в
отличие от льда каждый ассоциат существует недолго. Постоянно происходит разрушение
одних и образование других ассоциатов. При каждом значении температуры в воде
устанавливается свое динамическое равновесие в этом процессе. А при нагревании воды
часть теплоты затрачивается на разрыв водородных связей в ассоциатах. При этом на
разрыв каждой связи расходуется 0,26-0,5 эВ. Этим и объясняется аномально высокая
теплоемкость воды по сравнению с расплавами других веществ, не образующих
водородных связей. При нагревании таких расплавов энергия расходуется только на
сообщение тепловых движений их атомам или молекулам. Водородные связи между
молекулами воды полностью разрываются только при переходе воды в пар. На
правильность такой точки зрения указывает и то обстоятельство, что удельная
теплоемкость водяного пара при 100°С практически совпадает с удельной теплоемкостью
льда при 0°С.
Элементарным структурным элементом ассоциата является кластер:

Рис. Отдельный гипотетический кластер воды

Отдельные кластеры образуют ассоциаты молекул воды (H2O)x:

Рис. Кластеры из молекул воды образуют ассоциаты

Существует и другая точка зрения на природу аномально высокой теплоемкости воды.
Профессор Г. Н. Зацепина заметила, что молярная теплоемкость воды, составляющая 18
кал/(мольград), точно равна теоретической молярной теплоемкости твердого тела с
трехатомными кристаллами. А в соответствии с законом Дюлонга и Пти атомные
теплоемкости всех химически простых (одноатомных) кристаллических тел при
достаточно высокой температуре одинаковы и равны 6 калДмоль o град). А для
трехатомных, в граммоле которых содержится 3 Nа узлов кристаллической решетки, - в 3
раза больше. (Здесь Nа - число Авогадро).
Отсюда следует, что вода является как бы кристаллическим телом, состоящим из
трехатомных молекул Н20. Это соответствует распространенному представлению о воде
как смеси кристаллоподобных ассоциатов с небольшой примесью свободных молекул H2O
воды между ними, число которых растет с повышением температуры. С этой точки зрения
вызывает удивление не высокая теплоемкость жидкой воды, а низкая твердого льда.
Уменьшение удельной теплоемкости воды при замерзании объясняется отсутствием
поперечных тепловых колебаний атомов в жесткой кристаллической решетке льда, где у
каждого протона, обуславливающего водородную связь, остается только одна степень
свободы для тепловых колебаний вместо трех.
Но за счет чего и как могут происходить столь большие изменения теплоемкости воды без
соответствующих изменений давления? Чтобы ответить на этот вопрос, познакомимся с
гипотезой кандидата геолого-минералогических наук Ю. А. Колясникова о структуре
воды.

Он указывает, что еще первооткрыватели водородных связей Дж. Бернал и Р. Фаулер в
1932 г. сравнивали структуру жидкой воды с кристаллической структурой кварца, а те
ассоциаты, о которых говорилось выше, - это в основном тетрамеры 4Н20, в которых
четыре молекулы воды соединены в компактный тетраэдр с двенадцатью внутренними
водородными связями. В результате образуется четырёхгранная пирамида - тетраэдр.
При этом, водородные связи в этих тетрамерах могут образовывать как право- так и
левовинтовую последовательности, подобно тому, как кристаллы широко
распространённого кварца (Si02), тоже имеющие тетраэдрическую структуру, бывают
право- и лево-вращательной кристаллической форм. Поскольку каждый такой тетрамер
воды имеет еще и четыре незадействованные внешние водородные связи (как у одной
молекулы воды), то тетрамеры могут соединяться этими внешними связями в своего рода
полимерные цепочки, наподобие молекулы ДНК. А поскольку внешних связей всего
четыре, а внутренних - в 3 раза больше, то это позволяет тяжелым и прочным тетрамерам
в жидкой воде изгибать, поворачивать и даже надламывать эти ослабленные тепловыми
колебаниями внешние водородные связи. Это и обуславливает текучесть воды.

Такую структуру вода, по мнению Колясникова, имеет только в жидком состоянии и,
возможно, частично в парообразном. А вот во льду, кристаллическая структура, которого
хорошо изучена, тетрагидроли соединены между собой негибкими равнопрочными
прямыми водородными связями в ажурный каркас с большими пустотами в нем, что
делает плотность льда меньше плотности воды.

Рис. Кристаллическая структура льда: молекулы воды соединены в правильные
шестиугольники.

Когда же лед тает, часть водородных связей в нем ослабевает и изгибается, что ведет к
перестройке структуры в вышеописанные тетрамеры и делает жидкую воду более
плотной, чем лед. При 4°С наступает состояние, когда все водородные связи между
тетрамерами максимально изогнуты, чем и обуславливается максимум плотности воды
при этой температуре. Дальше связям гнуться некуда.

При температуре выше 4°С начинается разрывание отдельных связей между тетрамерами,
и при 36-37°С оказывается разорвана половина внешних водородных связей. Это и
определяет минимум на кривой зависимости удельной теплоемкости воды от
температуры. При температуре же 70°С разорваны уже почти все межтетрамерные связи,
и наряду со свободными тетрамерами в воде остаются только короткие обрывки
"полимерных" цепочек из них. Наконец при кипении воды происходит окончательный
разрыв теперь уже одиночных тетрамеров на отдельные молекулы Н20. И то
обстоятельство, что удельная теплота испарения воды ровно в 3 раза больше суммы
удельных теплот плавления льда и последующего нагрева воды до 100°С, является
подтверждением предположения Колясникова о том. что число внутренних связей в
тетрамере в 3 раза больше числа внешних.

Такая тетраэдрально-винтовая структура воды может быть обусловлена ее древней
реологической связью с кварцем и другими кремнекислородными минералами,
преобладающими в земной коре, из недр которой когда-то появилась вода на Земле. Как
маленький кристаллик соли заставляет окружающий его раствор кристаллизоваться в
подобные ему кристаллы, а не в другие, так кварц заставил молекулы воды выстраиваться
в тетраэдрические структуры, которые, энергетически наиболее выгодны. А в нашу эпоху
в земной атмосфере водяные пары, конденсируясь в капли, образуют такую структуру
потому, что в атмосфере всегда присутствуют мельчайшие капельки аэрозольной воды,
уже имеющей эту структуру. Они и являются центрами конденсации водяных паров в
атмосфере. Ниже приведены возможные цепочечные силикатные структуры на основе
тетраэдра, которые могут быть составлены и из тетраэдров воды.

Рис. Элементарный правильный кремне-кислородный тетраэдр SiO44-.

Рис. Элементарные кремнекислородные единицы-ортогруппы SiO44- в структуре Mg-
пироксена энстатите (а) и диортогруппы Si2 O7 6- в Са-пироксеноиде волластоните (б).

Рис. Простейшие типы островных кремнекислородных анионных группировок: а-SiO4, б-
Si2O7, в-Si3O9, г-Si4О12, д-Si6O18.

Рис. Важнейшие типы кремнекислородных цепочечных анионных группировок (по
Белову): а-метагерманатная, б - пироксеновая, в - батиситовая, г-волластонитовая, д-
власовитовая, е-мелилитовая, ж-родонитовая, з-пироксмангитовая, и-метафосфатная,
к-фторобериллатная, л - барилитовая.

Рис. Конденсация пироксеновых кремнекислородных анионов в сотовые двухрядные
амфиболовые (а), трехрядные амфиболоподобные (б), слоистые тальковые и близкие им
анионы (в).

Рис. Важнейшие типы ленточных кремнекислородных группировок (по Белову): а -
силлиманитовая, амфиболовая, ксонотлитовая; б-эпидидимитовая; в-ортоклазовая; г-
нарсарсукитовая; д-фенакитовая призматическая; е-эвклазовая инкрустированная.

Рис. Фрагмент (элементарный пакет) слоистой кристаллической структуры мусковита
KAl2(AlSi3O10XOH)2, иллюстрирующий переслаивание алюмокремне-кислородных сеток с
полиэдрическими слоями крупных катионов алюминия и калия, напоминает цепочку ДНК.

Возможны и другие модели водной структуры. Тетраэдрически связанные молекулы воды
образуют своеобразные цепочки довольно стабильного состава. Исследователи
раскрывают все более тонкие и сложные механизмы «внутренней организации» водной
массы. Кроме льдоподобной структуры, жидкой воды и мономерных молекул, описан и
третий элемент структуры – нететраэдрической.
Определенная часть молекул воды ассоциирована не в трехмерные каркасы, а в линейные
кольцевые объединения. Кольца, группируясь, образуют еще более сложные комплексы
ассоциатов.
Таким образом, вода теоретически может образовывать цепочки, наподобие молекулы
ДНК, о чём будет сказано ниже. В этой гипотезе интересно еще и то, что из нее следует
равновероятность существования право - и левовинтовой воды. Но биологами давно
подмечено, что в биологических тканях и структурах наблюдаются только либо лево -,
либо правовинтовые образования. Пример тому - белковые молекулы, построенные
только из лево-винтовых аминокислот и закрученные только по левовинтовой спирали. А
вот сахара в живой природе - все только правовинтовые. Никто пока не смог объяснить,
почему в живой природе обнаруживается такое предпочтение к левому в одних случаях и
к правому - в других. Ведь в неживой природе с равной вероятностью встречаются как
право-, так и левовинтовые молекулы.
Более ста лет назад знаменитый французский естествоиспытатель Луи Пастер обнаружил,
что органические соединения в составе растений и животных оптически асимметричны -
они вращают плоскость поляризации падающего на них света. Все аминокислоты,
входящие в состав животных и растений, вращают плоскость поляризации влево, а все
сахара - вправо. Если мы синтезируем такие же по химическому составу соединения, то в
каждом из них будет равное количество лево- и правовращающих молекул.
Как известно, все живые организмы состоят из белков, а они, в свою очередь, - из
аминокислот. Соединяясь друг с другом в разнообразной последовательности,
аминокислоты образуют длинные пептидные цепи, которые самопроизвольно
"закручиваются" в сложные белковые молекулы. Подобно многим другим органическим
соединениям, аминокислоты обладают хиральной симметрией (от греч. хирос - рука), то
есть могут существовать в двух зеркально симметричных формах, называемых
"энантиомеры". Такие молекулы похожи одна на другую, как левая и правая рука, поэтому
их называют D- и L-молекулами (от лат. dexter, laevus - правый и левый).
Теперь представим себе, что среда с левыми и правыми молекулами перешла в состояние
только с левыми или только с правыми молекулами. Такую среду специалисты называют
хирально (от греческого слова "хейра" - рука) упорядоченной. Самовоспроизведение
живого (биопоэз - по определению Д. Бернала) могло возникнуть и поддерживаться
только в такой среде.

Рис. Зеркальная симметрия в природе

Другое название молекул-энантиомеров - "правовращающие" и "левовращающие" -
происходит от их способности вращать плоскость поляризации света в различных
направлениях. Если линейно поляризованный свет пропустить через раствор таких
молекул, происходит поворот плоскости его поляризации: по часовой стрелке, если
молекулы в растворе правые, и против - если левые. А в смеси одинаковых количеств D-и
L-форм (она называется "рацемат") свет сохранит первоначальную линейную
поляризацию. Это оптическое свойство хиральных молекул впервые было обнаружено
Луи Пастером в 1848 году.
Любопытно, что почти все природные белки состоят только из левых аминокислот. Этот
факт тем более удивляет, что при синтезе аминокислот в лабораторных условиях
образуется примерно одинаковое число правых и левых молекул. Оказывается, этой
особенностью обладают не только аминокислоты, но и многие другие важные для живых
систем вещества, причем каждое имеет строго определенный знак зеркальной симметрии
во всей биосфере. Например, сахара, входящие в состав многих нуклеотидов, а также
нуклеиновых кислот ДНК и РНК, представлены в организме исключительно правыми D-
молекулами. Хотя физические и химические свойства "зеркальных антиподов" совпадают,
их физиологическая активность в организмах различна: L-caxaра не усваиваются, L-
фенилаланин в отличие от безвредных его D-молекул вызывает психические заболевания
и т. д.
Согласно современным представлениям о происхождении жизни на Земле, выбор
органическими молекулами определенного типа зеркальной симметрии послужил главной
предпосылкой их выживания и последующего самовоспроизводства. Однако вопрос, как и
почему произошел эволюционный отбор того или иного зеркального антипода, - до сих
пор остается одной из самых больших загадок науки.
Советский ученый Л. Л. Морозов доказал, что переход к хиральной упорядоченности мог
произойти не эволюционно, а только при каком-то определённом резком фазовом
изменении. Академик В. И. Гольданский назвал этот переход, благодаря которому
зародилась жизнь на Земле хиральной катастрофой.
Как же возникли условия для фазовой катастрофы, вызвавшей хиральный переход?
Наиболее важным было то, что органические соединения плавились при 800-1000 0С в
земной коре, а верхние остывали до температуры космоса, то есть абсолютного нуля.
Перепад температуры достигал 1000 °С. В таких условиях органические молекулы
плавились под действием высокой температуры и даже полностью разрушались, а верх
оставался холодным, так как органические молекулы замораживались. Газы и пары воды,
которые просачивались из земной коры, меняли химический состав органических
соединений. Газы несли с собой тепло, из-за чего граница плавления органического слоя
смещалась вверх и вниз, создавая градиент.
При очень низких давлениях атмосферы вода была на земной поверхности лишь в виде
пара и льда. Когда же давление достигало так называемой тройной точки воды (0,006
атмосферы), вода впервые смогла находиться в виде жидкости.
Конечно, лишь экспериментально можно доказать, что именно вызвало хиральный
переход: земные или космические причины. Но так или иначе в какой-то момент хирально
упорядоченные молекулы (а именно - левовращающие аминокислоты и правовращающие
сахара) оказались более устойчивыми и начался неостановимый рост их количества -
хиральный переход.
Летопись планеты повествует и о том, что тогда на Земле не было ни гор, ни впадин.
Полурасплавленная гранитная кора представляла собой поверхность столь же ровную, как
уровень современного океана. Однако в пределах этой равнины все же были понижения
из-за неравномерного распределения масс внутри Земли. Эти понижения сыграли
чрезвычайно важную роль.
Дело в том, что плоскодонные впадины поперечником в сотни и даже тысячи километров
и глубиной не более ста метров, вероятно, и стали колыбелью жизни. Ведь в них стекала
вода, собиравшаяся на поверхности планеты. Вода разбавляла хиральные органические
соединения в пепловом слое. Постепенно менялся химический состав соединения,
стабилизировалась температура. Переход от неживого к живому, начавшийся в безводных
условиях, продолжался уже в водной среде.
Таков ли сюжет зарождения жизни? Вероятнее всего, что да. В геологическом разрезе
Исуа (Западная Гренландия), возраст которого 3,8 миллиарда лет, найдены бензино- и
нефтеподобные соединения с изотопным соотношением С12/С13, свойственным углероду
фотосинтетического происхождения.
Если биологическая природа углеродистых соединений из разреза Исуа подтвердится, то
получится, что весь период зарождения жизни на Земле - от возникновения хиральной
органики до появления клетки, способной к фотосинтезу и размножению,- был пройден
лишь за сто миллионов лет. И в этом процессе огромную роль сыграли молекулы воды и
ДНК.
Самое удивительное в структуре воды заключается в том, что молекулы воды при низких
отрицательных температурах и высоких давлениях внутри нанотрубок могут
кристаллизоваться в форме двойной спирали, напоминающую ДНК. Это было доказано
компьютерными экспериментами американских учёных под руководством Сяо Чэн Цзэна
в Университете штата Небраска (США).

ДНК представляет собой двойную цепочку, скрученную в спираль. Каждая нить состоит
из "кирпичиков" - из последовательно соединенных нуклеотидов. Каждый нуклеотид ДНК
содержит одно из четырёх азотистых оснований - гуанин (G), аденин (A) (пурины), тимин
(T) и цитозин (C) (пиримидины), связанное с дезоксирибозой, к последней, в свою
очередь, присоединена фосфатная группа. Между собой соседние нуклеотиды соединены
в цепи фосфодиэфирной связью, образованной 3'-гидроксильной (3'-ОН) и 5'-фосфатной
группами (5'-РО3). Это свойство обуславливает наличие полярности в ДНК, т.е.
противоположной направленности, а именно 5'- и 3'-концов: 5'-концу одной нити
соответствует 3'-конец второй нити. Последовательность нуклеотидов позволяет
«кодировать» информацию о различных типах РНК, наиболее важными из которых
являются информационные, или матричные (мРНК), рибосомальные (рРНК) и
транспортные (тРНК). Все эти типы РНК синтезируются на матрице ДНК за счёт
копирования последовательности ДНК в последовательность РНК, синтезируемой в
процессе транскрипции и принимают участие в важнейшем процессе жизни – передачи и
копирования информации (трансляции).

Первичная структура ДНК - это линейная последовательность нуклеотидов ДНК в цепи.
Последовательность нуклеотидов в цепи ДНК записывают в виде буквенной формулы
ДНК: например - AGTCATGCCAG, запись ведется с 5'- на 3'-конец цепи ДНК.
Вторичная структура ДНК образуется за счет взаимодействий нуклеотидов (в большей
степени азотистых оснований) между собой, водородных связей. Классический пример
вторичной структуры ДНК - двойная спираль ДНК. Двойная спираль ДНК - самая
распространенная в природе форма ДНК, состоящая из двух полинуклеотидных цепей
ДНК. Построение каждой новой цепи ДНК осуществляется по принципу
комплементарности, т.е. каждому азотистому основанию одной цепи ДНК соответствует
строго определенное основание другой цепи: в комплемнтарной паре напротив A стоит T,
а напротив G располагается C и т.д.
Чтобы вода сформировала спираль, наподобие, в моделируемом эксперименте она
"помещалась" в нанотрубки под высоким давлением, варьирующимися в разных опытах
от 10 до 40000 атмосфер. После этого задавали температуру, которая имела значение
-23°C. Запас по сравнению с температурой замерзания воды делался в связи с тем, что с
повышением давления температура плавления водяного льда понижается. Диаметр
нанотрубок составлял от 1,35 до 1,90 нм.

Рис. Общий вид структуры воды (изображение New Scientist)

Молекулы воды связываются между собой посредством водородных связей, расстояние
между атомами кислорода и водорода равно 96 пм, а между двумя водородами - 150 пм. В
твёрдом состоянии атом кислорода участвует в образовании двух водородных связей с
соседними молекулами воды. При этом отдельные молекулы H2O соприкасаются друг с
другом разноимёнными полюсами. Таким образом, образуются слои, в которых каждая
молекула связана с тремя молекулами своего слоя и одной из соседнего. В результате,
кристаллическая структура льда состоит из шестигранных "трубок" соединенных между
собой, как пчелиные соты.

Рис. Внутренняя стенка структуры воды (изображение New Scientist)

Учёные ожидали увидеть, что вода во всех случаях образует тонкую трубчатую
структуру. Однако, модель показала, что при диаметре трубки в 1,35 нм и давлении в
40000 атмосфер водородные связи искривились, приведя к образованию спирали с
двойной стенкой. Внутренняя стенка этой структуры является скрученной в четверо
спиралью, а внешняя состоит из четырёх двойных спиралей, похожих на структуру
молекулы ДНК.
Последний факт накладывает отпечаток не только на эволюцию наших представлений о
воде, но и эволюцию ранней жизни и самой молекулы ДНК. Если предположить, что в
эпоху зарождения жизни криолитные глинистые породы имели форму нанотрубок,
возникает вопрос - не могла ли вода, сорбированная в них служить структурной
основой (матрицей) для синтеза ДНК и считывания информации? Возможно,
поэтому спиральная структура ДНК повторяет спиральную структуру воды в
нанотрубках. Как сообщает журнал New Scientist, теперь нашим зарубежным коллегам
предстоит подтвердить существование таких макромолекул воды в реальных
экспериментальных условиях с использованием инфракрасной спектроскопии и
спектроскопии нейтронного рассеяния.

Структура воды

Молекула воды представляет собой маленький диполь, содержащий положительный и
отрицательный заряды на полюсах. Так как масса и заряд ядра кислорода больше чем у
ядер водорода, то электронное облако стягивается в сторону кислородного ядра. При этом
ядра водорода “оголяются”. Таким образом, электронное облако имеет неоднородную
плотность. Около ядер водорода имеется недостаток электронной плотности, а на
противоположной стороне молекулы, около ядра кислорода, наблюдается избыток
электронной плотности. Именно такая структура и определяет полярность молекулы
воды. Если соединить прямыми линиями эпицентры положительных и отрицательных
зарядов получится объемная геометрическая фигура - правильный тетраэдр.

Строение молекулы воды

Благодаря наличию водородных связей каждая молекула воды образует водородную связь
с 4-мя соседними молекулами, образуя ажурный сетчатый каркас в молекуле льда.
Однако, в жидком состоянии вода – неупорядоченная жидкость; эти водородные связи -
спонтанные, короткоживущие, быстро рвутся и образуются вновь. Всё это приводит к
неоднородности в структуре воды.

Водородные связи между молекулами воды

То, что вода неоднородна по своему составу, было установлено давно. С давних пор
известно, что лёд плавает на поверхности воды, то есть плотность кристаллического льда
меньше, чем плотность жидкости. Почти у всех остальных веществ кристалл плотнее
жидкой фазы. К тому же и после плавления при повышении температуры плотность воды
продолжает увеличиваться и достигает максимума при 4°C. Менее известна аномалия
сжимаемости воды: при нагреве от точки плавления вплоть до 40°C она уменьшается,
а потом увеличивается. Теплоёмкость воды тоже зависит от температуры немонотонно.
Кроме того, при температуре ниже 30°C с увеличением давления от атмосферного
до 0,2 ГПа вязкость воды уменьшается, а коэффициент самодиффузии - параметр,
который определяет скорость перемещения молекул воды относительно друг друга растёт.
Для других жидкостей зависимость обратная, и почти нигде не бывает, чтобы какой-то
важный параметр вёл себя не монотонно, т.е. сначала рос, а после прохождения
критического значения температуры или давления уменьшался. Возникло предположение,
что на самом деле вода — это не единая жидкость, а смесь двух компонентов, которые
различаются свойствами, например плотностью и вязкостью, а следовательно,
и структурой. Такие идеи стали возникать в конце XIX века, когда накопилось много
данных об аномалиях воды.

Первым идею о том, что вода состоит из двух компонентов, высказал Уайтинг
в 1884 году. Его авторство цитирует Э.Ф. Фрицман в монографии “Природа воды.
Тяжёлая вода”, изданной в 1935 году. В 1891 году В. Ренгтен ввёл представление о двух
состояниях воды, которые различаются плотностью. После неё появилось множество
работ, в которых воду рассматривали как смесь ассоциатов разного состава (“гидролей”).
Когда в 20-е годы определили структуру льда, оказалось, что молекулы воды в
кристаллическом состоянии образуют трёхмерную непрерывную сетку, в которой каждая
молекула имеет четырёх ближайших соседей, расположенных в вершинах правильного
тетраэдра. В 1933 году Дж. Бернал и П. Фаулер предположили, что подобная сетка
существует и в жидкой воде. Поскольку вода плотнее льда, они считали, что молекулы
в ней расположены не так, как во льду, то есть подобно атомам кремния в минерале
тридимите, а так, как атомы кремния в более плотной модификации кремнезёма —
кварце. Увеличение плотности воды при нагревании от 0 до 4°C объяснялось
присутствием при низкой температуре тридимитовой компоненты. Таким образом, модель
Бернала — Фаулера сохранила элемент двухструктурности, но главное их достижение —
идея непрерывной тетраэдрическои сетки. Тогда появился знаменитый афоризм
И. Ленгмюра: „Океан — одна большая молекула“. Излишняя конкретизация модели
не прибавила сторонников теории единой сетки.

Только в 1951 году Дж. Попл создал модель непрерывной сетки, которая была не так
конкретна, как модель Бернала — Фаулера. Попл представлял воду как случайную
тетраэдрическую сетку, связи между молекулами в которой искривлены и имеют
различную длину. Модель Попла объясняет уплотнение воды при плавлении
искривлением связей. Когда в 60–70-е годы появились первые определения структуры
льдов II и IX, стало ясно, как искривление связей может приводить к уплотнению
структуры. Модель Попла не могла объяснить немонотонность зависимости свойств воды
от температуры и давления так хорошо, как модели двух состояний. Поэтому идею двух
состояний ещё долго разделяли многие учёные.
Но во второй половине XX века нельзя было так фантазировать о составе и строении
„гидролей“, как это делали в начале века. Уже было известно, как устроен лёд
и кристаллогидраты, и многое знали про водородную связь. Помимо „континуальных“
моделей (модель Попла), возникли две группы „смешанных“ моделей: кластерные
и клатратные. В первой группе вода представала в виде кластеров из молекул, связанных
водородными связями, которые плавали в море молекул, в таких связях не участвующих.
Модели второй группы рассматривали воду как непрерывную сетку (обычно в этом
контексте называемую каркасом) водородных связей, которая содержит пустоты; в них
размещаются молекулы, не образующие связей с молекулами каркаса. Нетрудно было
подобрать такие свойства и концентрации двух микрофаз кластерных моделей
или свойства каркаса и степень заполнения его пустот клатратных моделей, чтобы
объяснить все свойства воды, в том числе и знаменитые аномалии.
Среди кластерных моделей наиболее яркой оказалась модель Г. Немети и Х. Шераги:
предложенные ими картинки, изображающие кластеры связанных молекул, которые
плавают в море несвязанных молекул, вошли во множество монографий.
Первую модель клатратного типа в 1946 году предложил О.Я. Самойлов: в воде
сохраняется подобная гексагональному льду сетка водородных связей, полости которой
частично заполнены мономерными молекулами. Л. Полинг в 1959 году создал другой
вариант, предположив, что основой структуры может служить сетка связей, присущая
некоторым кристаллогидратам.

В течение второй половины 60-х годов и начала 70-х наблюдается сближение всех этих
взглядов. Появлялись варианты кластерных моделей, в которых в обеих микрофазах
молекулы соединены водородными связями. Сторонники клатратных моделей стали
допускать образование водородных связей между пустотными и каркасными молекулами.
То есть фактически авторы этих моделей рассматривают воду как непрерывную сетку
водородных связей. И речь идёт о том, насколько неоднородна эта сетка (например, по
плотности). Представлениям о воде как о водородно-связанных кластерах, плавающих
в море лишённых связей молекул воды, был положен конец в начале восьмидесятых
годов, когда Г. Стэнли применил к модели воды теорию перколяции, описывающую
фазовые переходы воды.

В 1999 г. известный российский исследователь воды С.В. Зенин защитил в Институте
медико-биологических проблем РАН докторскую диссертацию, посвященную кластерной
теории, которая явилась существенным этапом в продвижении этого направления
исследований, сложность которых усиливается тем, что они находятся на стыке трех наук:
физики, химии и биологии. Им на основании данных, полученных тремя физико-
химическими методами: рефрактометрии (С.В. Зенин, Б.В. Тяглов, 1994),
высокоэффективной жидкостной хроматографии (С.В. Зенин с соавт., 1998) и протонного
магнитного резонанса (С.В. Зенин, 1993) построена и доказана геометрическая модель
основного стабильного структурного образования из молекул воды (структурированная
вода), а затем (С.В. Зенин, 2004) получено изображение с помощью контрастно-фазового
микроскопа этих структур.

Сейчас наукой доказано, что особенности физических свойств воды и многочисленные
короткоживущие водородные связи между соседними атомами водорода и кислорода в
молекуле воды создают благоприятные возможности для образования особых структур-
ассоциатов (кластеров), воспринимающих, хранящих и передающих самую различную
информацию.

Структурной единицей такой воды является кластер, состоящий из клатратов, природа
которых обусловлена дальними кулоновскими силами. В структуре кластров
закодирована информация о взаимодействиях, имевших место с данными молекулами
воды. В водных кластерах за счёт взаимодействия между ковалентными и водородными
связями между атомами кислорода и атомами водорода может происходить миграция
протона (Н+) по эстафетному механизму, приводящие к делокализации протона в
пределах кластера.

Вода, состоящая из множества кластеров различных типов, образует иерархическую
пространственную жидкокристаллическую структуру, которая может воспринимать и
хранить огромные объемы информации.
На рисунке (В.Л. Воейков) в качестве примера приведены схемы нескольких простейших
кластерных структур.

Некоторые возможные структуры кластеров воды

Переносчиками информации могут быть физические поля самой различной природы. Так
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.
Вода является источником сверхслабого и слабого переменного электромагнитного
излучения. Наименее хаотичное электромагнитное излучение создаёт структурированная
вода. В таком случае может произойти индукция соответствующего электромагнитного
поля, изменяющего структурно-информационные характеристики биологических
объектов.
В течение последних лет получены важные данные о свойствах переохлаждённой воды.
Изучать воду при низкой температуре очень интересно, поскольку её удаётся сильнее
переохладить, чем другие жидкости. Кристаллизация воды, как правило, начинается на
каких-то неоднородностях — либо на стенках сосуда, либо на плавающих частичках
твердых примесей. Поэтому найти температуру, при которой бы переохлаждённая вода
самопроизвольно закристаллизовалась нелегко. Но учёным удалось это сделать, и сейчас
температура так называемой гомогенной нуклеации, когда образование кристаллов
льдов идёт одновременно по всему объёму, известна для давлений вплоть до 0,3 ГПа,
то есть захватывая области существования льда II. От атмосферного давления до границы,
разделяющей льды I и II, эта температура падает от 231 до 180 К, а потом слегка
увеличивается — до 190К. Ниже этой критической температуры жидкая вода невозможна
в принципе.

Структура льда

Однако с этой температурой связана одна загадка. В середине восьмидесятых годов была
открыта новая модификация аморфного льда — лёд высокой плотности, и это помогло
возрождению представлений о воде как о смеси двух состояний. В качестве прототипов
рассматривались не кристаллические структуры, а структуры аморфных льдов разной
плотности. В наиболее внятном виде эту концепцию сформулировали Е.Г. Понятовский
и В.В. Синицин, которые в 1999 году написали: „Вода рассматривается как регулярный
раствор двух компонентов, локальные конфигурации в которых соответствуют ближнему
порядку модификаций аморфного льда“. Более того, изучая ближний порядок
в переохлаждённой воде при высоком давлении методами дифракции нейтронов, учёным
удалось найти компоненты, соответствующие этим структурам.
Следствием полиморфизма аморфных льдов стали также предположения о расслоении
воды на два несмешивающихся компонента при температуре ниже гипотетической
низкотемпературной критической точки. К сожалению, по оценке исследователей, эта
температура при давлении 0,017 ГПа равна 230К — ниже температуры нуклеации,
поэтому наблюдать расслоение жидкой воды никому ещё не удалось. Так возрождение
модели двух состояний поставило вопрос о неоднородности сетки водородных связей
в жидкой воде. Разобраться в этой неоднородности можно только с помощью
компьютерного моделирования.
Говоря о кристаллической структуре воды, следует отметить, что известно
14 модификаций льда, большинство из которых не встречаются в природе, в которых
молекулы воды и сохраняют свою индивидуальность, и соединены водородными связями.
С другой стороны существует множество вариантов сетки водородных связей
в клатратных гидратах. Энергии этих сеток (льдов высокого давления и клатратных
гидратов) ненамного выше энергий кубического и гексагонального льдов. Поэтому
фрагменты таких структур также могут появляться в жидкой воде. Можно
сконструировать бесчисленное множество различных непериодических фрагментов,
молекулы в которых имеют по четыре ближайших соседа, расположенных
приблизительно по вершинам тетраэдра, но при этом их структура не соответствует
структурам известных модификаций льда. Как показали многочисленные расчёты,
энергии взаимодействия молекул в таких фрагментах будут близки друг к другу, и нет
оснований говорить, что какая-то структура должна преобладать в жидкой воде.
Структурные исследования воды можно изучать разными методами; спектроскопией
протонного магнитного резонанса, инфракрасной спекроскопии, дифракцией
рентгеновских лучей и др. Например, дифракцию рентгеновских лучей и нейтронов
в воде изучали много раз. Однако подробных сведений о структуре эти эксперименты дать
не могут. Неоднородности, различающиеся по плотности, можно было бы увидеть
по рассеянию рентгеновских лучей и нейтронов под малыми углами, однако такие
неоднородности должны быть большими, состоящими из сотен молекул воды. Можно
было бы их увидеть, и исследуя рассеяние света. Однако вода — исключительно
прозрачная жидкость. Единственный же результат дифракционных экспериментов —
функции радиального распределения, то есть расстояния между атомами кислорода,
водорода и кислорода-водорода. Из них видно, что никакого дальнего порядка
в расположении молекул воды нет. Эти функции для воды затухают гораздо быстрее, чем
для большинства других жидкостей. Например, распределение расстояний между атомами
кислорода при температуре, близкой к комнатной, даёт только три максимума, на 2,8, 4,5
и 6,7 Å. Первый максимум соответствует расстоянию до ближайших соседей, и его
значение примерно равно длине водородной связи. Второй максимум близок к средней
длине ребра тетраэдра — вспомним, что молекулы воды в гексагональном льду
располагаются по вершинам тетраэдра, описанного вокруг центральной молекулы.
А третий максимум, выраженный весьма слабо, соответствует расстоянию до третьих
и более далёких соседей по водородной сетке. Этот максимум и сам не очень ярок, а про
дальнейшие пики и говорить не приходится. Были попытки получить из этих
распределений более детальную информацию. Так в 1969 году И.С. Андрианов
и И.З. Фишер нашли расстояния вплоть до восьмого соседа, при этом до пятого соседа оно
оказалось равным 3 Å, а до шестого — 3,1 Å. Это позволяет делать данные о дальнем
окружении молекул воды.
Другой метод исследования структуры – нейтронная дифракция на кристаллах воды
осуществляется точно также, как и рентгеновская дифракция. Однако из-за того, что
длины нейтронного рассеяния различаются у разных атомов не столь сильно, метод
изоморфного замещения становится неприемлемым. На практике обычно работают с
кристаллом, у которого молекулярная структура уже приблизительно установлена
другими методами. Затем для этого кристалла измеряют интенсивности нейтронной
дифракции. По этим результатам проводят преобразование Фурье, в ходе которого
используют измеренные нейтронные интенсивности и фазы, вычисляемые с учётом
неводородных атомов, т.е. атомов кислорода, положение которых в модели структуры
известно. Затем на полученной таким образом фурье-карте атомы водорода и дейтерия
представлены с гораздо большими весами, чем на карте электронной плотности, т.к. вклад
этих атомов в нейтронное рассеяние очень большой. По этой карте плотности можно,
например, определить положения атомов водорода (отрицательная плотность) и дейтерия
(положительная плотность).
Возможна разновидность этого метода, которая состоит в том, что кристалл
образовавшийся в воде, перед измерениями выдерживают в тяжёлой воде. В этом случае
нейтронная дифракция не только позволяет установить, где расположены атомы водорода,
но и выявляет те из них, способные обмениваться на дейтерий, что особенно важно при
изучение изотопного (H-D)-обмена. Подобная информация помогает подтвердить
правильность установления структуры.
Другие методы также позволяют изучать динамику молекул воды. Это эксперименты
по квазиупругому рассеянию нейтронов, сверхбыстрой ИК-спектроскопии и изучение
диффузии воды с помощью ЯМР или меченых атомов дейтерия. Метод ЯМР-
спектроскопии основан на том, что ядро атома водорода имеет магнитный момент —
спин, взаимодействующий с магнитными полями, постоянными и переменными.
По спектру ЯМР можно судить о том, в каком окружении эти атомы и ядра находятся,
получая, таким образом, информацию о структуре молекулы.
В результате экспериментов по квазиупругому рассеянию нейтронов в кристаллах воды
был измерен важнейший параметр — коэффициент самодиффузии при различных
давлениях и температурах. Чтобы судить о коэффициенте самодиффузии
по квазиупругому рассеянию нейтронов, необходимо сделать предположение о характере
движения молекул. Если они движутся в соответствии с моделью Я.И. Френкеля
(известного отечественного физика-теоретика, автора „Кинетической теории
жидкостей“ — классической книги, переведённой на многие языки), называемой также
моделью „прыжок-ожидание“, тогда время „осёдлой“ жизни (время между прыжками)
молекулы составляет 3,2 пикосекунды. Новейшие методы фемтосекундной лазерной
спектроскопии позволили оценить время жизни разорванной водородной связи: протону
требуется 200 фс для того, чтобы найти себе партнёра. Однако всё это средние величины.
Изучить детали строения и характера движения молекул воды можно только при помощи
компьютерного моделирования, называемого иногда численным экспериментом.

Так выглядит структура воды по результатам компьютерного моделирования (по
данным д.х.н. Г. Г. Маленкова). Общую беспорядочную структуру можно разбить на два
типа областей (показаны тёмными и светлыми шариками), которые различаются
по своему строению, например по объёму многогранника Вороного (а), степени
тетраэдричности ближайшего окружения (б), значению потенциальной энергии (в), а
также по наличию четырёх водородных связей у каждой молекулы (г). Впрочем, эти
области буквально через мгновение, спустя несколько пикосекунд, изменят свое
расположение.

Моделирование проводится так. Берётся структура льда и, нагревается до расплавления.
Затем после некоторого времени, чтобы вода "забыла" о кристаллическом
происхождении, снимаются мгновенные микрофотографии.
Для анализа структуры воды выбираются три параметра:
- степень отклонения локального окружения молекулы от вершин правильного
тетраэдра;
-потенциальная энергия молекул;
-объём так называемого многогранника Вороного.
Чтобы построить этот многогранник, берут ребро от данной молекулы до ближайшей,
делят его пополам и через эту точку проводят плоскость, перпендикулярную ребру.
Получается объём, приходящийся на одну молекулу. Объём полиэдра — это плотность,
тетраэдричность — степень искажения водородных связей, энергия — степень
устойчивости конфигурации молекул. Молекулы с близкими значениями каждого из этих
параметров стремятся сгруппироваться вместе в отдельные кластеры. Области как с
низкой, так и с высокой плотностью обладают разными значениями энергии, но могут
иметь и одинаковые значения. Эксперименты показали, что области с разным строением
кластеры возникают спонтанно и спонтанно распадаются. Вся структура воды живёт и
постоянно меняется, причём время, за которое происходят эти изменения, очень
маленькое. Исследователи следили за перемещениями молекул и выяснили, что они
совершают нерегулярные колебания с частотой около 0,5 пс и амплитудой 1 ангстрем.
Наблюдались также и редкие медленные скачки на ангстремы, которые длятся
пикосекунды. В общем, за 30 пс молекула может сместиться на 8-10 ангстрем. Время
жизни локального окружения тоже невелико. Области, составленные из молекул с
близкими значениями объёма многогранника Вороного, могут распасться за 0,5 пс, а
могут жить и несколько пикосекунд. А вот распределение времён жизни водородных
связей очень велико. Но это время не превышает 40 пс, а среднее значение — несколько
пс.
В заключение следует подчеркнуть, что теория кластерного строения воды имеет
много подводных камней. Например, Зенин предполагает, что основной структурный
элемент воды — кластер из 57 молекул, образованный слиянием четырёх додекаэдров.
Они имеют общие грани, а их центры образуют правильный тетраэдр. То, что молекулы
воды могут располагаться по вершинам пентагонального додекаэдра, известно давно;
такой додекаэдр — основа газовых гидратов. Поэтому ничего удивительного
в предположении о существовании таких структур в воде нет, хотя уже говорилось, что
никакая конкретная структура не может быть преобладающей и существовать долго.
Поэтому странно, что этот элемент предполагается главным и что в него входит ровно
57 молекул. Из шариков, например, можно собирать такие же структуры, которые состоят
из примыкающих друг к другу додекаэдров и содержат 200 молекул. Зенин же
утверждает, что процесс трёхмерной полимеризации воды останавливается
на 57 молекулах. Более крупных ассоциатов, по его мнению, быть не должно. Однако
если бы это было так, из водяного пара не могли бы осаждаться кристаллы
гексагонального льда, которые содержат огромное число молекул, связанных воедино
водородными связями. Совершенно неясно, почему рост кластера Зенина остановился
на 57 молекулах. Чтобы уйти от противоречий, Зенин и упаковывает кластеры в более
сложные образования — ромбоэдры — из почти тысячи молекул, причём исходные
кластеры друг с другом водородных связей не образуют. Почему? Чем молекулы
на их поверхности отличаются от тех, что внутри? По мнению Зенина, узор
гидроксильных групп на поверхности ромбоэдров и обеспечивает память воды.
Следовательно, молекулы воды в этих крупных комплексах жёстко фиксированы, и сами
комплексы представляют собой твёрдые тела. Такая вода не будет течь, а температура
её плавления, которая связана с молекулярной массой, должна быть весьма высокой.
Какие свойства воды объясняет модель Зенина? Поскольку в основе модели лежат
тетраэдрические постройки, её можно в той или иной степени согласовать с данными
по дифракции рентгеновских лучей и нейтронов. Однако вряд ли модель может объяснить
уменьшение плотности при плавлении — упаковка додекаэдров менее плотная, чем лёд.
Но труднее всего согласуется модель с динамическими свойствами — текучестью,
большим значением коэффициента самодиффузии, малыми временами корреляции
и диэлектрической релаксации, которые измеряются пикосекундами.
К.х.н. О.В. Мосин

Cписок литературы:

Г.Г. Маленков. Успехи физической химии, 2001
С.В.Зенин, Б.М. Полануер, Б.В. Тяглов. Экспериментальное доказательство наличия
фракций воды. Ж. Гомеопатическая медицина и акупунктура. 1997.№2.С.42-46.
С.В. Зенин, Б.В. Тяглов. Гидрофобная модель структуры ассоциатов молекул воды.
Ж.Физ.химии.1994.Т.68.№4.С.636-641.
С.В. Зенин Исследование структуры воды методом протонного магнитного резонанса.
Докл.РАН.1993.Т.332.№3.С.328-329.
С.В.Зенин, Б.В.Тяглов. Природа гидрофобного взаимодействия. Возникновение
ориентационных полей в водных растворах. Ж.Физ.химии.1994.Т.68.№3.С.500-503.
С.В. Зенин, Б.В. Тяглов, Г.Б.Сергеев, З.А. Шабарова. Исследование внутримолекулярных
взаимодействий в нуклеотидамидах методом ЯМР. Материалы 2-й Всесоюзной конф. По
динамич. Стереохимии. Одесса.1975.с.53.
С.В. Зенин. Структурированное состояние воды как основа управления поведением и
безопасностью живых систем. Диссертация. Доктор биологических наук.
Государственный научный Центр «Институт медико-биологических проблем» (ГНЦ
«ИМБП»). Защищена 1999. 05. 27. УДК 577.32:57.089.001.66.207 с.
В.И. Слесарев. Отчет о выполнении НИР по теме: «Воздействие фрактально-
матричных транспарантов «Айрес» на характеристики структурно-информационного
свойства воды». Санкт-Петербург. 2002.
С.В. Зенин, М.Ф.Меркулов, Д.Г. Мирза. Исследование медико-биологических свойств
матричных аппликаторов «Айрес». Результаты апробации матричных аппликаторов
«Айрес». СПб,2000.с.14-21.
Масару Эмото. Послания воды: Тайные коды кристаллов льда. Перев. с англ. М. ООО
Издательский дом «София».2005.
Резников К.М. Вода жизни //Прикладные информационные аспекты медицины. – 2001. –
Т.4. - №2. С.3-10.
О.В. Мосин, Д.А. Складнев, В.И. Швец. Биотехнология, Исследование физиологической
адаптации бактерий к тяжёлой воде. 2001 г.