СЛЕСАРЕВ ВАЛЕРИЙ ИВАНОВИЧ

Слесарев Валерий Иванович

Заслуженный работник высшей школы РФ, доктор химических наук, профессор, в настоящее время полный профессор Международного Университета Фундаментального Обучения (МУФО) Оксфордской образовательной сети.

Автор оригинального учебника для студентов естественнонаучных специальностей «ХИМИЯ: Основы химии живого» СПб.: Химиздат, 784 с. Победитель всероссийского конкурса по созданию учебников нового поколения, изданного шесть раз: в 2000, 2001, 2005, 2007, 2009 и 2015 гг.

Последние 30 лет разрабатывает проблемы воды. В. И. Слесарев – автор трех научных открытий:

– «Явление АКВАКОММУНИКАЦИИ в водосодержащих системах», описывающее наличие у воды и ее системах информационных свойств;

– «ВОДА и все ЖИВОЕ – универсальные природные акварадиосистемы», раскрывающее причины дистанционного или бесконтактного взаимодействия водных систем между собой»;

– «ВОДА – потребитель и источник энергии при вихревом режиме ее движения», раскрывающее причину этого удивительного явления на основе закономерностей химической термодинамики.

В. И. Слесарев сформулировал ряд интересных аквановаций:

• C ВОДА и ее растворы – СУПРАМОЛЕКУЛЯРНЫЕ АКВАСИСТЕМЫ;

• C ВОДА и все ЖИВОЕ – природные универсальные АКВАРАДИОСИСТЕМЫ;

• C Явления АКВАКОММУНИКАЦИЯ, АКВАЛОКАЦИЯ и АКВАГОЛОГРАФИЯ;
• C БЕЗРЕАГЕНТНОЕ ИЗМЕНЕНИЕ СВОЙСТВ ВОДЫ в химии, физике и биологии;
• C ВОДА – диамагнетик, паромагнетик и аквамагнетик;
• C АКВАПАРАДИГМА МЕДИЦИНЫ, включая ГОМЕОПАТИЮ;
  
• C ВОДА – потребитель и источник ЭНЕРГИИ.
  

Обо все этом изложу последовательно и постепенно.

«Истина проходит через три стадии:

сначала ее высмеивают,

 потом ей яростно сопротивляются –

и, наконец, принимают как очевидное»

Будда

1.     ВОДА И ЕЕ СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ

Слесарев В. И.

Международный Университет Фундаментального Обучения,

Санкт-Петербург

ВОДА – великий дар природы, подаренный нашей Земле, благодаря которому на ней сформировалась БИОСФЕРА. Именно в воде зародилась жизнь и без воды она невозможна. Связь между водой и жизнью четко подметил и образно сформулировал великий Леонардо да Винчи: «От воды все в мире живо, жизнь – это одушевленная вода». В организме растений и животных воды (по массе) содержится 50–99 %. Так, в медузе воды – 99 %, в трехдневном человеческом зародыше воды содержится – 97 %, в теле новорожденного – 80 %, а у взрослого человека доля воды в организме составляет от 70 до 50 %, в зависимости от его возраста, причем, у мужчин, в среднем, на 5–7 % воды больше, чем у женщин. В организме человека 60–70 % воды приходится на внутриклеточную жидкость, а остальная часть – на внеклеточную или межклеточную жидкость, которую подразделяют на внутрисосудистую, интерстициальную (межтканевую) и трансцеллюлярную жидкости. Соотношение (в %) между ними примерно 18:70:12, соответственно. Потребность в воде взрослого человека в день составляет 35 г на 1 кг массы тела, а грудного ребенка – в 3–4 раза больше. Без воды человек может прожить не более недели, а без питательных веществ – в десять раз дольше.

Несмотря на важность для биологии приведенных фактов, лауреат Нобелевской премии А. Сент-Дьерди [14] точно подметил существующий парадокс: «Биология забыла о воде подобно тому, как может позабыть о ней глубоководная рыба». Явным подтверждением справедливости этих слов и в наше время является отсутствие статьи «Вода» в Энциклопедическом словаре по биологии, изданном в 1992 г. в Москве. Подобно биологам, микробиологи, физиологи, врачи и ветеринары, к сожалению, также не уделяют должного внимания роли воды в организме, что необходимо срочно исправлять. К сожалению, и физики и даже химики до сих пор не уделяют внимания многогранному описанию ВОДЫ и поэтому сегодня практически нет определения, что такое ВОДА? Объект, с которым человечество столкнулось с момента своего появления, до сих пор не имеет четкого научного определения. Поэтому первая проблема – это определение ЧТО ТАКОЕ ВОДА. В следующем разделе будут даны определения понятиям ВОДА и ее истинным и коллоидным растворам, а также биосистемам.

Остановимся на второй проблеме воды, которая связана не с ее природной загадочностью, а с терминологической вакханалией вокруг воды как в научной, учебной литературе, так и в других источниках, где она фигурирует. Непонятные свойства воды часто объясняют не до конца пóнятыми терминами. В литературе при описании загадочности и таинственности воды используют много различных неподходящих терминов структурированная и деструктурированная вода, кристаллическая структура воды или ее кластеров, кристалл, псевдокристалл, жидкий кристалл, коллоидная система, гель, гидрогель, полимер, информационно-фазовое или энергоинформационное состояние.

Весь двадцатый век и до настоящего времени идут споры о структуре воды, но при этом в основном превалирует двухструктурная модель: «структурированная» и «деструктурированная» вода. Термин «структурированная вода» широко используется в рекламе для привлечения покупателей. В настоящее время, благодаря расчетам по методам молекулярной динамики и  Монте-Карло твердо установлено, что вода в конденсированных состояниях всегда имеет единую, тетраэдрическую и очень динамичную H-сетку [2, 8–11]. В воде нет свободных молекул H₂O или отдельных ее межмолекулярных образований. Причем понятие «структура», естественно, может относиться только к H-сетке, но не к воде. Поэтому термин «структурированная вода» с позиции науки – абсолютно неправильный, в то же время, деструктурированной сетки водородных связей в воде быть не может, следовательно, «деструктурированной» воды в природе нет.

Термины: кристаллическая структура воды или ее кластеров и даже псевдокристалл можно использовать только для статичных систем, поэтому они никак не подходят для описания жидкой и парообразной воды, в которых Н-сетка чрезвычайно структурно динамична.

Термины жидкий кристалл или жидкокристаллическое состояние также нельзя применять к воде, так как молекула Н₂О настолько мала по размерам (d » 0,28 нм), что ее никак нельзя назвать явно анизометричной и дифильной. Поэтому она не может находиться в жидкокристаллическом состоянии, которое ультрамикрогетерогенное и характерно для коллоидных расплавов или растворов веществ, молекулы которых явно анизометричны и дифильны. Именно эта особенность строения молекул подобных веществ обуславливает их постепенное плавление от температуры начала плавления до температуры конца плавления. Вода кристаллизуется, а лёд плавится четко при 0 °С. Следовательно, у воды нет жидкокристаллического состояния и ее нельзя называть жидким кристаллом.

Называть воду коллоидной системой, гелем или гидрогелем нельзя, так как она не гетерогенна, а гомогенна, поскольку в жидкой воде имеется единая динамичная сетка водородных связей, в которой нет и не может быть физической границы раздела между ее фрагментами. Следовательно, вода в жидком состоянии – однофазная гомогенная система, и поэтому коллоидной системой, гелем или гидрогелем, которые гетерогенны, она быть не может.

Понятие полимер для воды не корректно, так как мономеры в полимере соединены ковалентной связью, а в воде ее молекулы объединены единой сеткой водородных связей, энергия которых не менее, чем в 4–5 раз меньше, чем энергия ковалентных связей. Вследствие этой особенности вода в отличие от полимеров чрезвычайно динамичная система, в Н-сетке которой водородные связи постоянно изменяют свои характеристики, а, если они рвутся, то сразу образуются с той же или новой молекулой. Кроме того, водородные связи в воде обратимо трансформируются в ковалентные связи. Из-за этого динамизм структуры единой Н-сетки в жидкой воде несравнимо выше, чем структурный динамизм молекул любого полимера. Поэтому воду с ее очень динамичной Н-сеткой нельзя называть полимером и даже сравнивать с полимером.

Термины информационно-фазовый и энергоинформационный с позиции науки абсурдны, так как сочетают в себе абсолютно разные понятия информация и фаза, энергия и информация. В то же время эти общеизвестные термины до сих пор сами не имеют четких общепринятых определений. Их сочетания для многих людей звучат настолько наукообразно и впечатляюще, что это затмевает понимание их научной абсурдности.

В литературе о воде постоянно сталкиваешься с ее различными разновидностями: объемная, свободная, связанная, пограничная, приграничная, пристеночная, интерфазная, EZ-вода (вода зоны исключения), капиллярная, гидратная. Почти каждая из этих вод отличается по свойствам от других. В чем причина?

Вода имеет единую сетку водородных связей [4, 8–11]. Природа этой связи двойственна: и электростатическая, и ковалентная [1, 5, 20]. Поэтому для водородной связи возможны три основных состояния:

– сбалансированное, когда вклад электростатики и ковалентности в Н-связь практически одинаков и близкий;

– гидратационное, когда преобладает явно электростатика;

– акваклатратное, когда преобладает явно ковалентность.

Кроме трех основных состояний водородная связь естественно имеет большое множество промежуточных состояний. Поскольку свойства воды определяются состояниями Н-связи ее единой сетки, то, говоря о жидкой воде как целостной системы, можно обоснованно ограничиться только тремя  ее состояниями в объемных, приграничных и контактных слоях. В объемных слоях  молекулы Н₂О взаимодействуют только между собой, и поэтому в них Н-сетка находится в сбалансированном состоянии. В приграничных слоях молекулы воды взаимодействуют не только между собой. В приграничных слоях молекулы воды взаимодействуют еще с молекулами или их частицами, находящимися с другой стороны физической границы раздела, т.е. на реальной поверхности раздела. В контактных слоях молекулы воды  взаимодействуют с молекулами или их частицами растворенных веществ. В обоих случаях локальное состояние единой Н-сетки может быть либо гидратационным, либо акваклатратным в зависимости от природы частиц тех веществ, с которыми взаимодействуют молекулы воды. Подробно об этих взаимодействиях и локальных состояниях Н-сетки речь пойдет в разделе 2.

Воде присущ ряд явлений, которые фиксируются много веков и подтверждаются бесчисленными природными и экспериментальными фактами, но признаются не всеми, т.к. они пока не имеют убедительного научного объяснения и поэтому их относят к таинственным. Некоторые из сомневающихся спешат привесить изучению таких явлений ярлык «лженаука», забывая при этом, что факты – упрямая вещь. Другие отвергают подобные факты, руководствуясь известным, хотя и бездоказательным аргументом: «Этого не может быть, потому что этого не может быть никогда!». Через некоторое время эти же люди под напором фактов и в соответствии со словами Будды (см. эпиграф) смягчают резкое отрицание до оценки: «В этом что-то есть?!», а спустя еще некоторое время, когда появляются научные объяснения, они же с уверенностью утверждают: «Это вполне естественно и не стоит удивления». На настоящий момент к таким достоверным,  но пока загадочным явлениям, а следовательно, и к проблемам понимания свойств воды, относятся способность воды:

·                   к безреагентному изменению своих физических и химических свойств, а также биологических и физиологических функций при взаимодействии со слабыми и очень слабыми физическими полями;

·                   к дистанционному, или бесконтактному, взаимодействию водных систем между собой;

·                   проявлять информационные свойства;

·                   быть источником и потребителем энергии.

Все перечисленные проблемы относятся не только к воде, но и ко всему живому, демонстрируя, что практика давно обогнала теорию. Необходимо сформулировать научную концепцию, которая должна соответствовать основным законам физики и химии и объяснять с единых позиций  известные достоверные факты.

Начнем с первой проблемы: что такое вода и ее растворы.

2. ВОДА, ЕЕ РАСТВОРЫ и БИОСИСТЕМЫ –
СУПРАМОЛЕКУЛЯРНЫЕ АКВАСИСТЕМЫ

Вода – самое распространенное  и удивительное вещество, которое до сих пор – сплошная цепь тайн и загадок. Молекула воды и загадки, связанные с ее строением и физическими свойствами, были раскрыты в двадцатом веке с помощью инструментальных и теоретических методов познания микромира. Молекула H₂O за счет sp³-гибридизации атомных орбиталей ее атома кислорода имеет тетраэдрическую структуру с учетом наличия в ней не только двух связей O–H, но и двух атомных орбиталей с неподеленными электронными парами атома кислорода (рис. 2-1). Геометрические характеристики молекулы H₂O в твердой и, особенно, в жидкой воде согласно современным представлениям являются не константами, а изменяются в зависимости от ее состояния [3,12,15]. Так, угол α изменяется от 90° до 120°, длина связи O–H варьируется от 0,0863 до 0,1018 нм, а расстояние между атомами водорода – от 0,1264 до 0,1663 нм. Однако, геометрическое соотношение l_H–H/l_O–H в молекуле воды всегда стремиться к 1,62, а обратное отношение l_O–H/l_H–H стремится к 0,62, т.е. там и там – к «золотому сечению». Интересно, что «золотое сечение» лежит в основе гармонии живого не только с позиций его геометрии, но и с позиций его биоритмов и биоизлучений. По-видимому, в этом опять проявляется тот факт, что вода – основа всего живого.

Вследствие высокой полярности связей O–H молекула воды выступает донором двух протонов, образуя две межмолекулярные водородные связи с двумя соседними молекулами воды. В то же время из-за наличия двух неподеленных электронных пар у атома кислорода каждая молекула воды образует еще две межмолекулярные водородные связи, выступая уже акцептором двух протонов двух соседних молекул воды. Таким образом, молекула H₂O ведет себя как двойной симметричный и донор, и акцептор протонов, образуя четыре межмолекулярные водородные связи с тетраэдрической направленностью (рис. 2-1) [3, 5, 6, 15, 20 ]. Именно в этом заключается уникальность как молекулы H₂O, так и ее способности образовывать множество различных по структуре межмолекулярных фрагментов в своей сетке водородных связей. Главной виновницей необычности свойств воды в конденсированных состояниях является именно межмолекулярная водородная связь. Она образует единую тетраэдрическую (ажурную) и очень структурно-динамичную сетку (H-сетку), связывающую все молекулы воды в системе в единую, целостную, супрамолекулярную аквасистему (супра означает множество).

Супрамолекулярные системы возникают самопроизвольно из множества молекул и их частиц, имеющих геометрическое и химическое соответствие и объединенных динамичными межмолекулярными или межчастичными связями. Эти системы более структурно динамичны, чем макромолекулы полимеров, где их мономеры объединены сильными межмолекулярными связями ковалентного типа [7, 19]. Все перечисленные особенности супрамолекулярных систем полностью характерны для жидкой и твердой воды с ее единой динамичной сеткой водородных связей. Поэтому автор [15] предлагает дать следующее определение воде:

ВОДА в конденсированных состояниях – открытая, гомогенная, полярная, термодинамически неравновесная, нелинейная, кооперативная, автоколебательная, самоорганизующаяся, СУПРАМОЛЕКУЛЯРНАЯ АКВАСИСТЕМА, целостность которой обеспечена единой, тетраэдрической, полиморфной, очень структурно-динамичной сеткой водородных связей между молекулами H₂O.

Это определение полностью соответствует известным словам знаменитого И. Ленгмюра:

«ОКЕАН – это одна гигантская молекула ВОДЫ».

Вода в океане не чистая, а содержит растворенные соли, газы воздуха и другие вещества без учета живых организмов. Следовательно, это гигантский водный раствор, где вода как основной компонент и все другие компоненты активно и сильно взаимодействуют между собой, образуя единую супрамолекулярную аквасистему. Таким образом, в XXI веке все истинные водные растворы следует рассматривать как гомогенные супрамолекулярные аквасистемы. До настоящего времени их считают двухчастными физико-химическими системами, состоящими из воды-растворителя и гидратированных частиц растворенных веществ.

Рассмотрим детально положения, изложенные в определении воды. Вода и в жидком, и в твердом (лёд) состояниях обменивается с окружающей средой и энергией, и веществом. Это наглядно проявляется в постоянно протекающих процессах ее испарения и конденсации независимо от температуры. Следовательно, вода действительно активная открытая система.

Внутри жидкой воды нет какой-либо реальной поверхности раздела, несмотря на наличие локальных различий в структуре ее H-сетки. При этом ее H-сетка сохраняет свое единство, что и делает воду – гомогенной. Не все считают воду гомогенной. Свое мнение они обосновывают наличием локальных отличий в свойствах приграничной («связанной») воды от свойств объемной («свободной») воды. Это вызвано и объясняется локальными отличиями в структуре и свойствах единой полиморфной H-сетки, но главное – между приграничной и объемной водой нет реальной поверхности раздела. Для гетерогенных систем наличие реальной поверхности раздела между их компонентами обязательно!

Высокий дипольный момент молекулы воды (1,82 D) и высокая диэлектрическая проницаемость водной среды (ε = 78,5) обеспечивают супрамолекулярной аквасистеме высокую полярность и растворяющую способность много лучше, чем у других растворителей.

Вода, как любая открытая природная система, находясь в стационарном состоянии, является термодинамически неравновесной, а не химически. Поэтому она всегда способна самопроизвольно (ΔU ≈ 0) перейти хотя бы локально в другое стационарное состояние даже при минимальной инициации. Инициатор – физическое поле или движение упругой среды легко вызывает в воде резонанс из-за мультиколебательности ее Н-сетки. Резонансный этап – это быстрый этап фазового перехода второго рода аквасистемы в новое переходное состояние. После устранения инициатора происходит релаксационный, медленный этап, этого обратимого перехода аквасистемы в исходное стационарное состояние.

Кооперативность – это способность открытой, динамичной системы при внешних воздействиях вести себя как согласованный единый ансамбль, в котором межмолекулярные и межчастичные взаимодействия с течением времени изменяются в одном направлении. Именно это характерно для воды благодаря наличию ее единой, полиморфной и динамичной сетки водородных связей и ее свойствам.

Согласно теоретическим расчетам [8–11], время оседлой жизни водородной связи в H-сетке воды 10^–13–10^–11 секунды. Так быстро в основном происходит или изменение ее длины, или величины угла α между соседними ОH-связями, а ее разрыв происходит значительно реже. При этом образование вновь водородной связи с прежней или с новой молекулой H₂O происходит также очень быстро. Высокий структурный динамизм Н-сетки включает не только ее структурную трансформацию, но и ее способность постоянно и локально как к саморазрушению, так и к самоорганизации, оставаясь в целом единой. Поэтому в зависимости от характера воздействий в аквасистеме может возрастать ее или хаотичность (S), или организованность (I). Эти особенности H-сетки всей аквасистемы обуславливают ее важные свойства: целостность, единство, полиморфизм и структурный динамизм, а также склонность воды к фазовым переходам второго рода.

Целостность и единство H-сетки в воде проявляется на фоне разнообразной структуры ее аквафрагментов, т.е. ее полиморфизма, а также постоянного очень быстрого структурного динамизма. Свободных молекул или их отдельных надмолекулярных образований в конденсированных состояниях воды нет – о чем свидетельствуют современные теоретические и экспериментальные данные[5, 6, 8–12]. Поэтому можно говорить только о межмолекулярных фрагментах ее единой Н-сетки [15]. На наноуровне аквафрагменты Н-сетки в зависимости от их размеров и структуры можно условно разделить на: акваассоциаты [(H₂O)_n]  n ≤ 8 (условно), аквакластеры – если n > 8, полые аквакластеры (наноаквафрагменты) [£(H₂O)_n] или межслойные акваполости (микроаквафрагменты) – в полостях которых располагаются и движутся частицы как растворенных веществ, так и самой воды, акваклатраты [X(H₂O)_n] – аквакомплексы частицы X типа «гость Х – хозяин [£(H₂O)_n]» и, по концепции автора, аквамодели воздействия
[Аквамодель] – аквакластеры со структурой Н-сетки, отражающей воздействие, оказанное на аквасистему веществом или сигналом физического поля. Все аквафрагменты Н-сетки в жидкой воде чрезвычайно динамичны, т. к. они и их молекулы постоянно колеблются, движутся, в результате аквафрагменты структурно трансформируются, разрушаются и воспроизводятся, как случайно, так и закономерно.

Вода – уникальный растворитель, что объясняется следующими ее особенностями:

– высокой диэлектрической проницаемостью (e = 78,5);

– способностью проявлять как протонодонорные и протоноакцепторные свойства за счет своих акваионов, так и электронодонорные и электроноакцепторные свойства за счет своих акварадикалов;

– наличием внутренних межслойных акваполостей в H-сетке жидкой воды из-за ажурности ее тетраэдрической структуры;

– двойственности природы водородной связи, так как в ней есть и электростатическая и ковалентная составляющие.

В объемных слоях чистой воды, где молекулы Н₂О взаимодействуют только между собой, там, в единой Н-сетке, эти составляющие взаимно скомпенсированы. В случае контактных или приграничных слоях воды в Н-сетке может преобладать или электростатическая, или ковалентная составляющие. Особенно наглядно это проявляется в растворах веществ, разных по природе.

Целостность воды в конденсированных состояниях обеспечивается единой очень динамичной сеткой водородных связей, что позволило рассматривать воду как супрамолекулярную аквасистему. Такой подход заставляет по-новому рассматривать процессы растворения веществ и образования истинных водных растворов. Процесс растворения вещества в супрамолекулярной аквасистеме предлагается рассматривать как распределение его молекул или частиц в межслойных акваполостях ее единой Н-сетки [15].

Истинные водные растворы – гомогенные супрамолекулярные аквасистемы переменного состава с единой, ажурной и динамичной сеткой водородных связей, в межслойных акваполостях которой содержатся молекулы и ионы растворенных веществ, находящихся в постоянном интенсивном движении.

Согласно этому определению в водных растворах молекулы и ионы двигаются не в гидратных оболочках, как принято сейчас, а по динамичным межслойным акваполостям, формируя соответствующим образом структуру контакных слоев их единой Н-сетки. Такой подход объясняет, почему не удавалось и не удается экспериментально определить число молекул Н₂О в гидратных оболочках ионов и молекул. Почему при рассмотрении свойств истинных водных растворов нельзя разделять их на составные части, например, растворитель-вода и гидратированные ионы, т.к. это грубо нарушает их целостность и искажает их свойства.

В соответствии с принципом «подобное в подобном» в воде как в полярной среде хорошо растворяются вещества, молекулы которых содержат ионные связи или полярные функциональные группы. При растворении соединений с ионной связью в воде из-за ее высокой диэлектрической проницаемости (ε = 78,5) происходит их диссоциация на ионы. Образующиеся ионы располагаются в межслойных акваполостях H-сетки и двигаются по ним и вместе с ними. При этом контактные слои этих акваполостей имеют Н-сетку с преобладанием электростатической составляющей, а процесс взаимодействия ионов и полярных молекул с водой называется гидратацией [15].

Гидратация – межмолекулярное взаимодействие с преобладанием электростатической составляющей Н-связи полярных молекул Н₂О контактных и приграничных слоев единой Н-сетки с ионами и полярными молекулами, находящимися как в растворе, т.е. в динамичных межслойных акваполостях, так и на реальной поверхности раздела.

Гидратационные межмолекулярные образования более плотные из-за электростатического взаимодействия, и поэтому их молекулы Н₂О менее подвижны.

Инициатором процесса гидратации являются электростатические поля полярных или заряженных частиц, т.е. ионов, растворенных веществ и полярных молекул воды.

В зависимости от поверхностной плотности заряда иона было предложено их разделить на ионы, способствующие положительной и отрицательной гидратации [13]. Ионы, имеющие высокую поверхностную плотность заряда, т. е. ионы с большим зарядом и малым радиусом, такие как Li⁺, Na⁺, Mg²⁺, Al³⁺, Fe³⁺, Cr³⁺, F^–, Сl^–, CO₃^2–, HCO₃^–, которые сильно взаимодействуют с молекулами воды в контактных слоях акваполостей, характеризуются положительной гидратацией. В этих случаях происходит уплотнение структуры контактных гидратационных слоев акваполостей и всей H-сетки в растворе вследствие ее кооперативных свойств. Катион Na⁺ и анион Сl^–, гидратация которых положительна, сосредоточены в основном в межклеточной жидкости, где кроме воды контактных слоев есть «объемная» вода. Поэтому эти ионы необходимы для обеспечения уплотнения структуры Н-сетки межклеточной аквасистема[15].

Для многозарядных катионов Al³⁺, Fe³⁺, Cr³⁺, которые наиболее сильно взаимодействуют с ближайшими молекулами воды, характерно образование с ними ковалентной связи и комплексных катионов [Al(H₂O)₆]³⁺, [Fe(H₂O)₆]³⁺, [Cr(H₂O)₆]³⁺. Устойчивость этих комплексов значительно выше, чем устой­чивость любых аквафрагментов Н-сетки.

Ионы, имеющие малую поверхностную плотность заряда: K⁺, Cs⁺, NH₄⁺, I^–, Br^–, HPO₄^2–, H₂PO₄^–, NO₃^–, ClO₄^– и поэтому слабо притягивающие молекулы воды, характеризуются отрицательной гидратацией. Ионы с отрицательной гидратацией способствуют разрыхлению структуры контактных гидратаци­онных слоев акваполостей и всей H-сетки в растворе из-за ее кооператив­ности. Поэтому ионы K⁺, HPO₄^2–, H₂PO₄^– являются ионами внутриклеточной жидкости, способствуя разрыхлению H-сетки воды внутри клетки и повышая тем самым подвижность биосубстратов в ней [15].

При концентрации ионов в водном растворе около и более 1 моль/л число свободных акваполостей в H-сетке резко уменьшается и в таких растворах «объемной» воды уже практически не остается. При наличии в водных растворах электролитов молекул полиэлектролитов: белков, нуклеиновых кислот или растворимых органических соединений, «объемная» вода исчезает из них при значительно меньших концентрациях ионов и молекул этих веществ, находящихся в растворе.

Вещества, молекулы которых неполярны, растворяются в воде значительно (в 10³–10⁶ раз) хуже, чем вещества, молекулы которых полярны или состоят из ионов, исключая малорастворимые соли в воде. Например, при 20 °C растворимость в воде газа азота c(N₂) = 67×10^–5 моль/л ниже растворимости газа хлороводорода c(HCl) = 41 моль/л примерно в сто тысяч раз. Неполярные молекулы, растворяясь в воде, своими физическими полями, несмотря на их крайне малую мощность, инициируют глубокую самопроизвольную (ΔU ≈ 0) перестройку структуры сетки водородных связей в воде в сторону увеличения вклада ее ковалентной составляющей. Ковалентность Н-связи способствует усилению взаимодействия молекул воды между собой, а не с молекулами растворенного вещества. Другими словами, усиление ковалентной составляющей водородной связи способствует процессу акваклатратирования. Термин акваклатратирование – новый и введен вместо термина гидрофобная связь, который автор считает очень неудачным. Поскольку слово «связь» указывает на связывание, а не на отталкивание, как обычно трактуется гидрофобная связь [15].

Акваклатратирование – межмолекулярное взаимодействие молекул Н₂О между собой с преобладанием ковалентной составляющей Н-связи, инициируемое собственными полями гидрофобных (неполярных) молекул Х или гидрофобных фрагментов больших молекул, контактирующих с водой с формированием в ее единой Н-сетке акваполостей как межслойных, так и аквакластерных с образованием полых аквакластеров [£(H₂O)_n].

Акваклатратированию способствуют повышение давления, а также вихревые и пульсирующие режимы движения воды. Акваклатратные межмолекулярные образования более рыхлые, чем гидратационные, и поэтому молекулы в них более подвижны.

Отличие процессов гидратации и акваклатратирования схематично с позиции ориентации диполей молекул воды показано на рис. 3.

Гидратация

Акваклатратирование

Рис. 3

Отсутствие сильного взаимодействия между полярными молекулами воды и неполярными молекулами растворяемых веществ, естественно, резко уменьшает растворимость данных веществ в ней.

С позиции дыхания живого наибольший интерес вызывает растворение в воде и крови газов воздуха: кислорода , азота  и углекислого газа . Молекулы этих газов неполярны. Растворенные молекулы этих газов в основном находятся в межслойных акваполостях, способствуя процессу акваклатратирования между молекулами воды их контактных слоев. Растворенные газы воздуха, находящиеся в межслойных акваполостях, слабо удерживаются водой и кровью и поэтому они легко выделяются из них, даже при встряхивании или перемешивании. Иногда эту часть растворенных газов называют «бабстоны». При добавлении солей к такому раствору, бабстоны разрушаются с выделением растворенных газов воздуха.

При повышенном давлении молекулы газов воздуха дополнительно растворяются в воде за счет процесса акваклатратирования, способствующего образованию акваклатратов этих газов. В этом случае каждая молекула растворенного газа оказывается «гостем» в акваклатратных комплексах типа «гость–хозяин». «Хозяином» является полый аквакластер [£(H₂O)_n], в полости которого находится «гость X» – молекула растворенного газа воздуха. Формула образовавшихся акваклатратов газов будет [X(H₂O)_n], где молекула растворенно­го газа Х находится как бы в нанокапсуле единой H-сетки. Особенность строения и свойств акваклатратов заключается в том, что «гость X» не связан с молекулами воды «хозяина» никакими химическими связями, кроме слабых сил Ван дер Ваальса. Число молекул H₂O в составе оболочки «хозяина» непостоянно, т.к. в водном растворе – это аквафрагмент единой Н-сетки супрамолекулярной аквасистемы, содержащей неполярные молекулы растворенного вещества Х. При выделении акваклатрата [X(H₂O)_n] вымораживанием, высушиванием или высаждением получаются соединения, содержащие переменное число молекул H₂O, включая нецелочисленное. Молекулы воды в акваклатрате не имеют химических связей с «хозяином», а только водородные связи между собой. Устойчивость акваклатратов обычно объясняют «эффектом клетки». По мнению автора, их устойчивость также может быть обусловлена резонансом между колебаниями «гостя X» и колебаниями молекул H₂O оболочки «хозяина». Молекулы газов воздуха из акваклатратов удаляются из воды только при температурах вблизи 100 °C. При этом оболочка «хозяина», т.е. полый аквакластер, некоторое время сохраняется в растворе и в паре.

Акваклатратированию подвергается метан во влажном природном газе, акваклатраты которого [CH₄(H₂O)_5,75] – твердое веще­ство с непостоянной температурой плавления несколько ниже 0 °C. Эта способность метана заставила осушать добытый газ на Севере перед его транспортировкой, чтобы избежать в газопроводах снегообразных пробок из акваклатратов метана, образующихся при температуре воздуха ниже 0 °C и при давлении газа более 3-х атм.

Акваклатраты газов принято называть «газогидратами». Этот термин неправильный. Он не учитывает ковалентный характер H-связи между молекулами H₂O в оболочке «хозяина» и отсутствие химической связи между «гостем» и «хозяином». Термин «гидраты» указывает на электростатическую составляющую водородной связи в этих аквафрагментах, что противоречит истине. Поэтому эти соединения правильно называть акваклатратами [15].

Акваклатирование также играет важную роль при анестезии человека и животных веществами – анестетиками. Это: хлороформ CHCl₃, диэтиловый эфир (C₂H₅)₂O, закись азота N₂O, фторотан CF₃CBrClH, инертный газ ксенон Xe. Их молекулы и атомы Xe – неполярны или полярность их незначительная [15]. Согласно гипотезе Л. Полинга, развитой новосибирской школой академика А. В. Николаева и профессора И. И. Яковлева [4], молекулы этих веществ, попадая в клетки головного мозга, акваклатратируются за счет приграничной и контактной воды биосубстратов клетки. Это, по-видимому, приводит к разрушению приграничных и контактных слоев воды мембрановыстилающих белков, уменьшая их гидрофильность. В результате они отслаиваются, а появившаяся новая граница раздела нарушает ионную проводимость межклеточной мембраны. Это вызывает потерю чувствительности клеток мозга к нервным импульсам от болевых точек, т.е. приводит к анастезии. При прекращении подачи анестетиков они диффундируют из клетки и состояние внутриклеточной аквасистемы восстанавливается, т.е. исчезает расслоение, а следовательно, и эффект анестезии. Процесс анастезии можно рассматривать как фазовый переход второго рода в аквасистемах организма.

Акваклатратироваться могут не только неполярные молекулы и частицы. При наличии в аквасистеме полых аквакластеров с полостью соответствующего размера, могут образовываться акваклатраты разных веществ. Наибольший интерес вызывают акваклатраты с молекулой воды или ее ионов H⁺ и OH^–, или ее радикалов ·H⁰ и ·OH⁰, т.к. при этом, естественно, будут безреагентно изменяться как химические, так и физико-химические свойства и биологические, и физиологические функции воды. Обычно это происходит под воздействием слабых и очень слабых физических полей на воду. Под их воздействием в ее единой H-сетке формируются полые аквакластеры, а потом образуются соответствукющие акваклатраты из компонентов самой воды (H₂O, H⁺, OH^–, ·H⁰ и ·OH⁰) с различными концентрациями. Естественно, свойства этих компонентов в акваклатратированном состоянии будут проявляться значительно слабее, чем в свободном состоянии [16–17].

При акваклатратировании вода выступает не только растворителем, но и метаболитом. Вода выступает активным метаболитом в реакциях гидратации алкенов и альдегидов. Процессы гидролиза солей и различных биосубстратов также обеспечивают жизнедеятельность организма. Еще более четко и наглядно проявляется важность воды в растворах веществ, молекулы которых дифильны, т.е. и полярны, и неполярны.

При растворении в воде веществ, молекулы которых содержат и гидрофильные (полярные), и гидрофобные (неполярные) группы, водородная связь H-сетки их контактных слоев акваполостей будет проявлять и гидратационный, и акваклатратный характер. Это наглядно можно проследить по растворимости спиртов в воде. Метанол, этанол и пропанол полностью растворяются в воде. Растворимость бутанола в воде только 5,6%. Это связано с большим размером бутильного радикала С₄Н₉ и с его более сильными гидрофобными свойствами по сравнению с гидрофильными свойствами его гидроксильной группы. Следовательно, растворимость в воде веществ, молекулы которых дифильны, зависит от соотношения размеров и активностей между их гидрофильными (полярными) и гидрофобными (неполярными) фрагментами.

Процессы гидратации и акваклатратирования происходят не только при контакте с растворенным веществом или его частицами, но и при контакте с реальными поверхностями раздела: с воздухом или со стенками сосуда. В этих случаях природа этих реальных границ раздела определяет характер водородной связи в Н-сетке в возникающих приграничных слоях. Толщина таких слоев может достигать нескольких сот микрон, а свойства воды в этих слоях, так же как контактных, естественно, отличается от свойств объемных слоев воды. Однако, супрамолекулярная аквасистема, содержащая и объемные, и контактные, и приграничные слои, несмотря на наличие локальных отличий в свойствах воды в этих слоях, остается гомогенной из-за единства Н-сетки, а главное, из-за отсутствия реальной поверхности раздела между этими слоями воды. Вместо физической границы раздела в аквасистеме имеются переходные слои в Н-сетке, которые нивелируют возникающие отличия в ее свойствах. Таким образом, в супрамолекулярных аквасистемах хотя Н-сетка едина, но она полиморфна в ее аквафрагментах и многослойна в ее акваслоях.

Вода способна образовывать как истинные, так и коллоидные растворы. Истинные растворы всегда прозрачны, а коллоидные растворы прозрачны при прямом освещении, а при боковом освещении – опалесцируют, что указывает на их микрогетерогенность. Размеры частиц коллоидных растворов соизмеримы с длиной волны видимого света, поэтому они рассеивают свет, вследствие явления дифракции.

Гидрофобные и гидрофильные коллоидные растворы – системы, в которых дисперсионная среда – истинный водный раствор, а дисперсная фаза – мицеллы размером 10^–9–10^–6 м, отделенные реальной поверхностью раздела от дисперсионной среды, но они равномерно распределены и свободно двигаются в ней. На границе раздела с мицеллами дисперсионная среда имеет соответствующие приграничные слои из молекул Н₂О ее единой Н-сетки, обеспечивающие целостность коллоидных растворов, поэтому они – ультрамикрогетерогенные супрамолекулярные аквасистемы.

В заключение рассмотрим биосистемы. Содержание воды в любом живом объекте в его активном состоянии по массе более 50 %, а по молекулярному составу – более 95 %. Поэтому воду в живых объектах, учитывая ее содержание, обоснованно можно рассматривать как биосубстрат, однако, против этого выступают многие биологи, хотя их возражения необоснованны и неубедительны. Главная особенность этого биосубстрата высокая динамичность его Н-сетки, что крайне необходимо для жизнедеятельности биообъектов. Учитывая целостность живого, биосистемам можно дать следующее определение:

Биосистемы (от клетки до организма в целом) – открытые, термодинамически неравновесные, гетерогенные, нелинейные, автоколебательные, самоорганизующиеся, саморегулирующиеся, гомеостатические и репродуктирующиеся супрабиомолекулярные аквасистемы, основу которых составляют: вода с ее единой и очень динамичной Н-сеткой, биополимеры, биосубстраты и минеральные соли, содержащие катионы металлов жизни. Межмолекулярный континуум компонентов биосистем в пределах клетки, межклеточных и сосудистых систем обеспечивается едиными, динамичными, полиморфными сетками межмолекулярных водородных связей ее компонентов.

Таким образом, биосистемы – сложные аквасистемы, включающие и истинные, и коллоидные растворы, являясь при этом явно гетерогенными водными системами. Биологические и физиологические функции биополимеров зависят не только от их собственной структуры, но и от структуры H-сетки их контактных и приграничных водных слоев. Вода является не только основой внутриклеточной и межклеточной супрамолекулярных аквасистем, но и участвует непосредственно в формировании пространственной структуры молекул биополимеров и других биосубстратов. Причем это происходит с учетом внутренних и внешних факторов, прежде всего за счет воды, вследствие высокого структурного динамизма и чувствительности ее сетки водородных связей к любым, даже очень слабым, воздействиям за счет фазовых переходов второго рода. Благодаря обратимости фазовых переходов второго рода живое сохраняет свою устойчивость, несмотря на изменчивость внешней среды. В то же время, если внешняя среда после изменений не полностью вернулась в исходное состояние, причем, переходное состояние сохраняется длительное время, то живое эволюционирует, приспосабливаясь к новым условиям. По-видимому, прежде всего эволюционируют из-за динамичности аквасистемы отдельных органов и тканей, что и приводит к эволюции организма в целом.

Любые живые клетки, их цитоплазмы и органеллы с учетом содержания в них воды являются микро- или миллигетерогенными супрабиомолекулярными аквасистемами. Во всех внутриклеточных и капиллярных аквасистемах, их единые Н-сетки состоят только из ее контактных и приграничных слоев, объемной воды там нет. В межклеточных и сосудистых аквасистемах живого имеется и объемная, и контактная, и приграничная вода с единой Н-сеткой. Нормальное функционирование аквасистемы клетки требует постоянного обновления ее воды за счет объемной воды внеклеточных систем. Вся вода организма обновляется примерно за месяц, а вода внеклеточных систем – за неделю. Это свидетельствует о большой важности и интенсивности обмена воды.

При употреблении широко используемых в биологии и медицине терминов: внутриклеточная, внутрисосудистая, интерстициальная, трансцеллюлярная жидкости, или просто жидкости, необходимо понимать, что разговор идет о соответствующих аквасистемах. Поскольку термин жидкость ничего не говорит о ее химической природе, то его применение в специальной литературе необходимо ограничить.

Каждый грамм ДНК прочно удерживает 0,6 г воды, гликогена – 1,5 г воды, а белка – 3 г воды. Поэтому, как справедливо указывал в 1940 г. А. Сент-Дьердьи: "Нельзя говорить о белках, нуклеиновых кислотах, нуклеопротеидах и о воде так, как если бы это были две различные системы. Они образуют единую, целостную систему, которую нельзя разделить на компоненты без разрушения ее сущности". Эти слова полностью созвучны с теорией растворов Д. И. Менделеева (1887), согласно которой раствор – это новая химическая система, возникающая в результате взаимодействия растворителя с растворенным веществом.

Рекомендации этих великих ученых нашли в XXI веке свое воплощение в изложенной концепции автора: вода и ее растворы, включая биосистемы: – супрамолекулярные аквасистемы с единой динамичной сеткой водородных связей.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.            Алексеев А. И., Алексеев А. А. Химия воды. В двух книгах. СПб.: Химиздат, 2007. 1 книга – 424 с.; 2 книга – 456 с.

2.             Бушуев Ю.Г., Давлетбаева С.В., Королев В.П. Структурные свойства жидкой воды.Известия Академии наук. Серия химическая. 1999, №5. С.841- 850.

3.            Вода – космическое явление / Ред. Ю. А. Рахманин, В. К. Кондратов. М.: РАЕН, 2002. – 427 с.

4.            Довгуша В. В., Лехтлаан-Тыниссон Н. П., Довгуша Л. В. Вода – привычная и парадоксальная. СПб., 2007. – 242 с.

5.            Зацепина Г. И. Физические свойства и структура воды. М.: Изд-во МГУ, 1998. – 184 с.

6.            Кальнинш К. К., Павлова Л. П. «Вода – родник жизни». СПб.: ИВС РАН, 2005. – 29

7.            Лен Ж-М. Супрамолекулярная химия. Концепция и перспективы. Новосибирск: Наука, 1998. – 333 с.

8.            Лященко А.К., Дуняшев В.С. Простанственные структуры воды/Вода:структура,состояние,сольватация. Отв.ред. А.М.Кутепов – М.: Наука, 2003. С.107 – 145.

9.            Лященко А. К. Структура воды, миллиметровые волны и биологические эффекты. Научные труды VI Междунар.конгресса «Слабые и сверхслабые поля и излучения в биологии и медицине». СПб., 2012. – 22с.

10.        Маленков Г. Г., Тытик Д. Л. Метод молекулярной динамики и физической химии. Под. ред. Ю. К. Товбина. – М.: Наука, 1996. С. 204-234

11.        Маленков Г. Г., Лакомкина Т. Н. Вода: свойства и структура. М.: ИНИЦ Роспатента, 2005. – 62 с.

12.        Рассадкин Ю. П. Вода обыкновенная и необыкновенная. М.: «Галерея СТО», 2008. – 840 с.

13.        Самойлов О. Я. Структура водных растворов электролитов и гидратация ионов. М.: Изд. АН СССР, 1957. – 182 с.

14.        Сент-Дьерди А. Введение в субмолекулярную биологию. М.: «Наука», 1964. – 140 с.

15.        Слесарев В. И. Химия: Основы химии живого: Учебник для вузов. 6-е изд. СПб: Химиздат, 2015. –784 с.

16.        Слесарев В. И. Структурно-информационное свойство и состояние воды. Явление аквакоммуникации. Вода: Технология и экология, 2004. № 4. – С. 49–82.

17.        Слесарев В. И., Шабров А. В. Неизвестные свойства чистой воды. – Вода: Технология и экология, 2009. № 1. – С. 68 – 70

18.        Степанов А. М. ВОДА ее физические и лечебные свойства. М., 2007. – 278 с.

19.        Стид Д. В., Этвуд Д. Л. Супрамолекулярная химия. В двух томах. М.: Академ. книга, 2007. Том I – 480 с.; томII – 416c/

20.        Эйзенберг Д., Кауцман В. Структура и свойства воды. Л.: Гидрометеоиздат, 1975. – 280 с.

.