Адрес этой статьи в интернете: www.biophys.ru/archive/congress2012/proc-p12.htm
Федеральное государственное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН,
119991, Россия, Москва, Ленинский проспект, 53, E-mail: stzakhar@sci.lebedev.ru
Дискуссия о микроструктуре воды продолжается почти полтора столетия, но в последнее время она особенно обострилась. Прогресс в технике физического эксперимента привел к неожиданному повороту в исследованиях по этой острейшей проблеме, связанной с развитием многих направлений науки и технологий. С помощью малоуглового рентгеновского рассеяния и других прецизионных рентгеновских методов получены свидетельства структурной неоднородности воды на масштабах 1-2 нм [1,2]. Такое утверждение противоречит общепринятой картине гомогенной, с точностью до тепловых флуктуаций, воды которая сложилась в результате многочисленных работ по ее моделированию методами молекулярной динамики (также иногда называемых компьютерными экспериментами). Поэтому критические комментарии не замедлили последовать [3,4]. Тем не менее, имеются четкие доказательства долговременного влияния на воду некоторых физических факторов, что не необъяснимо в рамках однородной водной структуры. Эти дополнительные аргументы оправдывают серьезное отношение к новой концепции.
В докладе поставлен вопрос о фундаментальной причине спонтанного разбиения воды на два сорта неоднородностей: компоненту с нарушенными водородными связями и флуктуирующие ассоциаты или кластеры с тетраэдрической координацией [1]. Здесь мы обращаем внимание на то, что пространственное распределение электронной плотности в молекуле Н2О не предполагает какой-либо асимметрии в межмолекулярных взаимодействиях, если только игнорировать влияние спиновой изомерии, которое в энергетическом отношении ничтожно мало. Пара и орто спин-изомеры молекулы Н2О имеют различную способность формировать ассоциаты, что обусловлено симметрийными свойствами их волновых функций. Пара-молекулы перед встраиванием в кластер могут сбрасывать избыток энергии окружению вплоть до полного прекращения вращения, так как в основном состоянии их вращательное квантовое число J = 0. Орто-молекулы имеют нечетные значения J и такой возможностью не обладают, поэтому с большей вероятностью присутствуют в альтернативных местах с нарушенными водородными связями.
Согласно [1,2] характерной особенностью (флуктуирующего) кластера является его тетраэдрическая координация. Будет показано, что этому требованию отвечают ассоциаты двух различных модификаций, одной из которых является решетка обычного (гексагонального) льда, а другой – структуры из универсальных молекулярных блоков или модулей, участвующих в образовании гидратных оболочек биомолекул. Поскольку их свободные энергии оказываются близкими, эти две формы могут сосуществовать. В таком случае возможны взаимные переходы, т.е. осцилляции между этими двумя структурными состояниями через неупорядоченную фазу. Таким автоколебаниям приписывается квазипериодический ритм, слабо зависящий от температуры, тогда как их интенсивность, в отличие обычных представлений статистической физики, растет по мере охлаждения. Предполагается, что структурные автоколебания являются источником флуктуаций различных физических параметров, характеризующих макроскопическое состояние воды, а также активным агентом, синхронизующим биологические процессы.
the Nuclear spin-Isomery of h2o molecules as a possible cause for a spontaneous compartition of liquid water into time-space clasters
S.D. Zakharov
Lebedev Institute of the Russian Academy of Sciences, E-mail: stzakhar@sci.lebedev.ru
Литература