Адрес этой статьи в интернете: www.biophys.ru/archive/spb2013/proc-p46.htm

 

 

ПАРАДОКС А.И. КОНОВАЛОВА КАК ИНДИКАТОР ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ

Першин С.М.

Научный центр волновых исследований института общей физики им. А.М.Прохорова РАН, 119991, г. Москва, ул. Вавилова 38, pershin@kapella.gpi.ru

 

Известно, что А.И. Коновалов с сотрудниками [1], существенно расширив инструментальную базу для измерения физико-химических параметров (диаметра ассоциатов, удельная электропроводность, pH, поверхностное натяжение, ζ-потенциал, оптическая и биологическая активность) водных растворов низких концентраций и число изучаемых веществ (~70), выявил взаимоисключающее, в рамках существующих моделей воды, их поведение. Обнаруженный и статистически (~7х70 опытов) обоснованный парадокс (см. рис.2 из [1]) - увеличение проводимости и биологической активности при увеличении эквивалентного диаметра наноассоциатов, измеренного по методу динамического рассеяния света, что соответствует замедлению диффузии, указывает на неизвестные ранее фундаментальные закономерности. Существенно, что около 25% водных растворов, приготовленных в одинаковых условиях, не имеют подобных аномалий. Этот фактор, несомненно, повышает достоверность предположения о фундаментальной природе парадокса, а не методической ошибке измерений. Кроме этого, было установлено, что экстремумы параметров в области низких концентраций водных растворов пропадают в условиях фарадеевской экранировки образцов от внешних электромагнитных полей (ЭМП) в пермаллоевом контейнере [1]. При этом, однако, облучение образцов в соленоиде на частоте 7 Гц внутри контейнера восстанавливает все особенности.

Таким образом, список из нескольких десятков выявленных ранее аномалий воды [www.btinternet.com/martin.chaplin/phase.html], не имеющих ясной физической интерпретации, расширился почти вдвое.

Предметом настоящей работы является обоснование нового подхода к физике воды, который позволяет физически непротиворечиво интерпретировать наблюдаемые особенности и другие аномалии.

Принципиальным элементом новой концепции является учёт квантовых отличий орто/пара спиновых изомеров орто-пара Н2О в воде (спиновую селективность гидратированиия, квантовые биения и индуцированную резонансным ЭМП спин-конверсию, их самоорганизацию из аморфных комплексов в структуру льда Ih)  и спиновых взаимодействий с энергий 10-6 kT, помимо теплового движения (kT), сил Кулона, Ван-дер-Ваальса и водородной связи, которые составляют основу современных моделей воды. В этой концепции спиновым изомерам Н2О (орто-изомеры имеют магнитный момент =1 и всегда вращаются; пара-Н2О не имеют магнитного момента, часть из них не вращается и селективно связывается), несмотря на малую энергию 10-6 kT сверхтонких взаимодействий, отводится роль медиаторов. Эти медиаторы, вероятность конверсии которых (обмен ориентацией спина) возрастает в смешанных квантовых состояниях и в условиях совпадения энергии kT в окрестности температур особых точек воды и энергии вращательных квантов (hΩ) орто-пара мономеров Н2О [2], модулируют водородную связь и управляют структурными превращениями комплексов. Предложенный подход разрабатывался на основе разрозненных экспериментальных данных о свойствах воды, полученных независимо в ряде лабораторий, которые условно систематизированы по признакам: присутствие спин-изомеров Н2О и формирование льдоподобных каркасов с учетом спиновой селективности и электромагнитных полей.

Следует отметить, что обнаруженные нами методом спектроскопии четырехволнового смешения вращательные спектры спин-изомеров Н2О в воде и селективность связывания пара изомера Н2О при гидратировании белков, насколько нам известно, впервые [3], недавно получили подтверждение о проявлении спин-изомеров Н2О в ИК спектроскопии воды [4]. 

Наблюдаемый Коноваловым А.И. [1] парадокс увеличения биологической активности (потребление кислорода при всасывании раствора корешками) с увеличением размера ассоциатов при гидратировании макромолекул низкой концентрации в водных растворах, несомненно, обусловлен увеличением числа мономеров Н2О и скорости их транспорта через водные каналы мембран, как обосновано в работе P. Agre [5]. Поэтому простое увеличение размера/диаметра ассоциатов Н2О должно сопровождаться замедлением диффузии, что показывает динамическое рассеяние в экспериментах А.И. Коновалова [1], а также противоречит механизму транспорта только мономеров Н2О через водные каналы мембран [5]. При этом в растворе нет дополнительного источника энергии для обеспечения разрыва водородных связей мономеров Н2О с другими молекулами и увеличения биологической активности. Выявленное противоречие снимается, если признать, что число мономеров Н2О в растворе увеличивается при их локализации в полостях льдоподобных структур. Число полостей-каналов (контейнеров мономеров) в гидратном слое ассоциатов растет как кубическая степень [6] их диаметра. Такой «запас» мономеров в контейнерах обеспечивает их доставку к водным каналам мембран и рост биологической активности раствора.

Более того, здесь необходимо учесть квантовые отличия спиновых изомеров Н2О. Селективность связывания пара-изомеров [3] (часть из них не вращается) и селективное увеличение числа («запаса») орто-изомеров (всегда вращаются) в полостях гидратных слоев макромолекул при гидратировании [3] позволяют обнаружить удивительное соответствие орто-изомеров дипольному «замку» в середине водного канала [5], который всегда открыт для вращающихся мономеров Н2О. Поэтому биологическую активность (пропускную способность мембран), скорее всего, определяют орто-изомеры Н2О, которые всегда вращаются.

Отсюда, несомненно, следует также то, что эти квантовые отличия спиновых изомеров Н2О будут приводить к уменьшению вязкости и увеличению подвижности воды/водных растворов при увеличении числа орто-изомеров Н2О. Это свойство проявляется в других экспериментах с результатом-парадоксом, не получившим полного физического обоснования. Как упоминалось выше, ранее было обнаружено кратное снижение вязкости раствора гемоглобина [7] и воды [8], но только в окрестности особых температурных точек: Tс = 36.6 и 4 0С, соответственно. Заметим, что нами предпринимались попытки [2] интерпретировать эти результаты с учетом квантовых отличий орто/пара изомеров Н2О и их конверсии. Ключевым фактором здесь является выполнение условия резонансного совпадения

kTс = mn                       (1)

энергии теплового движения kTс и вращательного кванта mn которое определяет, по нашему мнению, значения температур и других особых точек. Столкновительное возбуждение молекул переводит их на верхний уровень, энергия которого почти совпадает с энергией другого изомера и образует с ним смешанное [2] квантовое состояние. Известно [9], что в этом состоянии вероятность спиновой конверсии увеличивается с уменьшением энергетического зазора между орто-пара уровнями. Например, в окрестности 4 0С зазор (причем, как верхних, так и нижних) почти в 10 раз меньше, чем для температуры 36.6 0С.

В некоторых особых точках, например, 4 0С и 19 0С, условие совпадения энергий (1) выполняется как для орто, так и для пара-изомеров Н2О. Кроме этого, энергия верхних и нижних уровней спин-изомеров практически совпадают также (зазор от Гц до ГГц), что сопровождается быстрой конверсией и спонтанной переупаковкой молекул с повышением плотности при переходе через температуру 4 0С, а также и реверсией конвекции [10]. Предсказательность закономерности проверялась в работе [2] на примере тяжелой воды и ряде малоизвестных значений особых температур воды и льда. Набор полей, которые индуцируют орто-пара конверсию при резонансной накачке смешанных квантовых состояний, определяется энергетическим зазором между орто и пара уровнями и может варьироваться в широком диапазоне (например, нулевой расчетный [11] зазор между уровнями 771 - 770 может в пределах точности счета достигать несколько Гц).

Рассмотренные выше процессы имеют место в экспериментах А.И. Коновалова в условиях фарадеевской экранировки образцов [1]. Экранировка ЭМП снимает накачку смешанных квантовых состояний в широком спектре частот шумовых полей, снижает вероятность орто-пара конверсии. Тогда изменяется орто/пара отношение, существующее в естественных условиях, и возможность формирования льдоподобных каркасов большого диаметра  при спин-селективном связывании пара-изомеров Н2О [3] из-за их дефицита (нет индуцированной спин-конверсии – нет новых пара-изомеров Н2О). Отсутствие наноассоциатов большого размера [1], которые в обсуждаемой концепции выполняют роль наноконтейнеров-депо для мономеров Н2О, а также ионов Н3О+, снимает физическую возможность проявления других параметров (проводимость, биологическая активность и др.), измеренных в работе [1].

 

 

 

 

PARADOX A.I. KONOVALOVA AS AN INDICATOR OF THE FUNDAMENTAL PHENOMENA

Pershin S.M.

Wave Research Center of Prokhorov General Physics Institute RAS, Moscow, Russia,

pershin@kapella.gpi.ru

Литература

1.      Рыжкина И.С., Киселева Ю.В., Тимошева А.П., Сафиуллин Р.А., Кадиров М.К., Валитова Ю.Н., Коновалов А.И. // ДАН. 2012. т. 447. №1. с. 1-7.

2.      Pershin S., Coincidence of rotational energy of ortho-para molecules and translation energy near specific temperatures in water and ice. // Phys. of Wave Phenomena, 2008, т. 16(1), с. 15-25.

3.      Бункин А.Ф., Нурматов А.А., Першин С.М., УФН, 2006, т. 176(8), с. 883-889.

4.      Popa R., Cimpoiasu V.M. // FTIR analysis of ortho/para ratio in liquid water isotopomers. mplications for enantiodifferentiation in amino acids. Physics AUC. 2011. V. 21. PP.11-18.

5.      Murata K., Mitsuoka K., Hirai T., Walz T., Agre P., Heymann J. B., Engel A., Fujiyoshi Y. // Structural determinants of water permeation through aquaporin-1. Nature. 2000. V. 407, P. 599-602

6.      Бункин А.Ф., Першин С.М. // Низкочастотная спектроскопия биомолекул в водных растворах с помощью четырехволнового взаимодействия. Квант. Электроника. 2010. Т.40. №12. С. 1098-1102.

7.      Artmann G.M., Kelemen C., Porst D., Buldt G., and Chien S. // Temperature Transitions of Protein Properties in Human Red Blood Cells. Biophys. J. 1998. V. 75. P. 3179.

8.      Стебновский С.В.// Журнал технической физики, 2004. Т. 74. В.1. С. 21-24.

9.      Chapovsky P.L. and Hermans L.J.F. // Annu. Rev. Phys. Chem. 1999. V. 50. P. 315.

10.  Першин С.М., Крутянский Л.М., Лукьянченко В.А. // Об обнаружении неравновесных фазовых переходов в воде. Письма в ЖЭТФ. 2011. т. 94(2), с 131-136.

11.  Быков А.Д., Синица Л.Н., Стариков В.И. // Экспериментальные и теоретические методы в спектроскопии молекулы водяного пара. Новосибирск. Изд-во СО РАН. 1999. 375 С.