Вода является основным компонентом человеческого организма и её роль в обеспечении различных функций трудно переоценить. В связи с этим уже много лет внимание учёных приковано к свойствам воды не только как растворителя многих биологически активных веществ, но и как самостоятельного фактора, обладающего за счёт пока ещё мало изученных механизмов специфическим воздействием на живой организм.
Есть много оснований полагать, что вода обладает рядом необычных свойств, которые отличает её от остальных веществ, и возможно наличие жизни на нашей планете обусловлено именно аномальностью воды.
Удивительные свойства
Аномалия плотности
У всех жидкостей плотность при снижении температуры увеличивается, плотность возникающих при их замерзании кристаллов всегда выше плотности самой жидкости. Вода – единственное исключение: она имеет максимальную плотность при 4° С, а при дальнейшем снижении температуры её плотность уменьшается, и плотность льда оказывается меньше плотности воды, поэтому лёд не тонет в водной среде.
Аномалия поверхностного натяжения
Среди необычных свойств воды – её исключительно высокое поверхностное натяжение: 0,073 Н/м (при 20 °C) на поверхности раздела вода-воздух. Из всех жидкостей более высокое поверхностное натяжение имеет только ртуть. Прочность поверхностный плёнки воды столь велика, что она может удерживать даже мелкие металлические предметы – иголки, монеты, если их осторожно положить на воду.
Высокое поверхностное натяжение воды связано с тем, что молекулы её наружного слоя прочно сцепляются благодаря наличию сложной системы замкнутых и разомкнутых водородных связей, появление ассоциатов различной структуры и разной степени упорядоченности.
Но при этом подразумевается, что столь прочная поверхностное плёнка формируется одним, от силы – несколькими слоями молекул воды (а толщина одного слоя молекул воды составляет около 0,3 Н/м, то есть менее 0,000000 1 мм).
Аномалия теплоёмкости
Для подавляющего числа веществ теплоемкость жидкости после плавления кристалла увеличивается незначительно – не более чем на 10 %. Другое дело – вода. При плавлении льда теплоемкость меняется от 9 до 18 кал/мольград, то есть в два раза! Такого скачка не наблюдается ни у какого другого вещества.
Теплоемкость воды намного выше, чем у всех других веществ в жидком состоянии. Поскольку все живые организмы содержит значительное количество воды, она благодаря своей большой теплоёмкости вносит важный вклад механизма теплового регулирования и предотвращает локальные флуктуации температуры.
Другие аномальные свойства воды
Вода является отличным растворителем благодаря своей полярности, высокой диэлектрической постоянной и малом размеру молекул. Особенно хорошо в ней растворяются полярные и ионные соединения и соли. Но, как ни удивительно, в воде растворяются и неполярные соединения, даже такие, как гексан и бензол, а также неполярные газы – азот, аргон и другие благородные газы.
Растворимость в воде углекислого газа в десятки раз выше, чем, например, азота, хотя формально CO2 столь же неполярен, как азот. Именно поэтому трудно получать по-настоящему чистую воду.
Вода особым образом гидратирует биологические макромолекулы (особенно белки и нуклеиновые кислоты), что определяет их трёхмерные структуры, а, следовательно, и их функции в водной среде. Вода ионизируется и позволяет молекулам легко обмениваться протонами, обогащая тем самым ионные взаимодействия в биологии.
Бросается в глаза противоположность свойств горячей и холодной воды с более выраженным проявлением особенностей при низких температурах. При нагревании от 0 до 4 °C холодная вода сжимается; с повышением температуры до 37 °C вода, в отличие от других жидкости, становится менее податливой к сжатию.
Горячая вода при нагревании расширяется, она легче поддаются сжатию, её показатель преломления уменьшается, скорость звука в ней снижается, газы становятся более растворимыми, её становится все труднее нагревать, и она всё хуже проводит температуру.
С увеличением давления молекулы холодной воды движутся быстрее, а молекулы горячей воды – медленнее. Горячая вода замерзает быстрее, чем холодная, а лёд тает при сжатии, за исключением области высоких давлений, где вода замерзает при сжатии. Ни одно другое вещество, кроме воды, не встречается в природе одновременно в виде твёрдого тела, жидкости и газа.
Эти удивительные свойства указывают на то, что самое известное вещество на планете по-прежнему остается самым загадочным. Но еще больше загадок и возможностей содержит электромагнитный потенциал воды, в том числе и для здоровья человека.
Магнитные и электрические свойства воды
Удивительный очищающий эффект
Широко известные и не подвергаются сомнением технические эффекты омагниченной воды: уменьшение отложений от «жёсткой» воды в трубах и технических установках, в том числе накипи при кипячении, разрыхление кальциевых осадков с их последующим размыванием.
Интересно, что эти эффекты длятся еще долгое время после прекращения действия магнитного поля. Есть много эмпирических данных по действию омагниченной воды на рост растений, на всхожесть обработанных семян, изменение физических свойств обработанный воды.
В институте биофизики клетки в г. Пущино (Подмосковье) были проведены научные исследования по изучению влияния на воду слабых и сверхслабых постоянных и переменных магнитных полей. В частности, убедительно продемонстрированы эффекты влияния магнитного поля на биохимические процессы, как при непосредственном воздействий магнитных полей на живые организмы, так и при их воздействии на водные растворы, которые потом использовали как среду их обитания.
Если электромагнитные поля действительно влияют на биологическую активность водных систем, то ясно, что они могут оказывать воздействие на здоровье, так как человек на 70% состоит из воды. Биологические действия электромагнитных волн СВЧ и КВЧ-диапазонов, широко используемых в отечественной медицине, служит доказательством эффективности воздействия этих полей на водные системы.
Есть основания полагать, что особые эффекты магнитные воды проявляют при определённых режимах воздействия, причём, не на всякой воде. Сильнее всего это сказывается на водах с высоким содержанием солей. Согласно одной из гипотез, растворённые соли формируют водяные кластеры, которые легко поляризуются в электрическом и магнитном поле.
Поляризация способствует связыванию дополнительных молекул растворённого вещества, и все свободные валентности оказываются заполнены молекулами воды. Таким образом, при эффективной обработке в растворе практически не остается не связанных молекул растворённого вещества, и не происходит их осаждение на стенки труб и сосудов.
Более того, поляризованные кластеры захватывают молекулы, уже осаждённые на стенки, осуществляя эффективную очистку.
Нормальность воды пока не нормальна
Современное положение науки таково, что нормальность воды – очень неудобное для нормального учёного свойство, поскольку из стандартных моделей классической термодинамики, статистической физики, электростатики и электромагнетизма, на которых базируется физическая химия и физико- химическая биология, эти аномалии не следует.
Попытки объяснить аномальные свойства воды в рамках классических представлений физики и химии упорно предпринимались в течение всего прошлого столетия. Особенное внимание при этом обращают на характерную особенность молекул воды – неравномерное распределение электронной плотности, недостаток отрицательного заряда на атомах водорода и избыток на атоме кислорода.
Это обеспечивает лёгкую электрическую поляризуемость молекул воды, их способность образовывать друг с другом так называемые водородной связи – направленные взаимодействия электростатической природы, но более слабые, чем электростатические взаимодействия между полными отрицательными и положительными зарядами.
Каждая молекула воды теоретически может образовать до четырёх водородных связей с соседними молекулами, но в действительности связей образуется меньше. Связи всегда направленные, но они могут изгибаться, и группы молекул воды могут на какое-то время образовывать своеобразные ассоциаты.
Многие теоретики пытаются объяснить на основе этих особых свойств воды её аномалии поведения. Модельные представления о структуре воды, основанные на концепциях классической физики и химии, не могут объяснить целый ряд связанных с водой явлений, которые из-за этого нередко стараются просто не замечать.
К таким свойством относится, например, сохранение биологической активности у образцов воды, полученных путём многократного разведение водного раствора биологически активного вещества до такой степени, что в растворе теоретически уже может не быть ни одной молекулы этого вещества.
На этом явлении основана более чем двухсотлетняя практика гомеопатии, которая до сих пор отвергает с официальной наукой именно потому, что теоретического обоснования этого явления в рамках классических представлений физики и основанных на них концепций физико-химической биологии не существует.
Структурность воды
Другой пример такого явления – способность потоков воды к самоорганизации и к превращению в источники энергии, которая берётся как бы ниоткуда. Это явление, на первый взгляд, противоречит считающимся незыблемыми основаниям физики – первому и второму закону термодинамики (закону сохранения энергии и закону роста энтропии).
Однако и то, и другое явление не только подкреплены многочисленными экспериментальными фактами и наблюдениями, сделанными независимыми учёными, но и достаточно широко используются на практике. Многие исследователи полагают, что вода может находиться в разных устойчивых состояниях, обладающих той или иной биологической активностью.
Поскольку биологическая активность химического соединения так или иначе определяется его химической структурой, то исходя из этой логики разные препараты воды, обладающий разными активностями, должны как-то отличаться по своей структуре. При этом, говоря о структуре, обычно подразумевает некое статическое образование, обладающие определёнными закономерностями строения.
Трудно представить, что столь просто устроенные отдельные молекулы воды, в которых два атомы водорода присоединены к атому кислорода, могут существовать во множестве устойчивых конформаций, характерных для разных гораздо более сложных химических соединений.
Поэтому, когда в последнее время все чаще говорят о структурах в воде, отвечающих за ту или иную её биологическую активность, обычно по аналогии со структурами сложных химических соединений подразумевает, что из-за многих молекул воды формируются ажурные конструкции, подобные кристаллам, геометрия которых соответствует пространственным свойствам геометрии тех химических соединений, активность которых вода имитирует.
Упорядоченная структура льда
Но если говорить о воде, то упорядоченной структурой вода может обладать лишь твёрдом состоянии – в состоянии льда, точнее, льдов, для которых сегодня известно более десятка разных кристаллических структур. Считается, что устойчивые кристаллические структуры льдов существуют благодаря тому, что между молекулами воды образуются водородной связи, имеющие электростатическую природу.
Однако они очень непрочны: время жизни одной водородной связи лежит в диапазоне 10 – 12 секунд. Кристаллы льда устойчивый потому, что каждая молекула воды окружена четырьмя другими молекулами, и образует с каждый из них по водородной связи, и при низких температурах молекулы воды, между которыми разорвались водородные связи, не успевают разбежаться в разные стороны, и связь между ними восстанавливается.
При более высоких температурах, когда скорость теплового движения молекул воды резко возрастает, вероятность того, что молекула после разрыва водородной связи с соседкой останется на том же месте, резко снижается, и вода становится жидкой. Однако и в жидкой воде многие молекулы образуют не одну, а две, три или даже четыре водородные связи с соседями и формируют с ними так называемые ассоциаты.
Даже если одновременно оборвется несколько водородных связей, и молекула воды «выпадет» из ассоциата в окружение, заполненное хаотически движущимся молекулами, дефект может быть восстановлен другой молекулой воды, и ассоциат сохранит свое существование. Исходя из этого подхода, в течение многих десятилетий активно развивались идеи о наличии в жидкой воде «мигающих» кластеров, плавающих в море не ассоциированных молекул воды.
Модели жидкой воды
Помимо модели «мигающих» кластеров, за последние годы было предложено более десятка различных моделей жидкой воды. Во всех этих моделях жидкая вода рассматривается не как гомогенная, а как гетерогенная система, в которой более или менее упорядоченное кластеры плавают в среде, представляющее собой нечто вроде плотного газа из гораздо менее упорядоченных молекул воды.
Объясняет эти модели и то, что в состав кластера входит от нескольких десятков до нескольких сотен молекул воды, то есть размеры кластеров не превышает нескольких нанометров. Из-за краткости времени жизни водородных связей, склеивающих друг с друга молекулы воды, структуры больших размеров во всех этих моделях воды из-за тепловых флуктуации возникнуть не могут.
Отличаются же эти модели друг от друга геометрическими формами кластера и временем их жизни, полученным разными авторами на основании компьютерного моделирования.
Объем и глубина научных знаний о свойствах динамических водных структур, даже гораздо более простых, нежели живые водные системы, пока очень ограничены. Тем не менее, отдельные выдающиеся исследователи много десятилетий тому назад поняли, какие удивительные возможности ассоциированы с динамическими водными структурами и насколько масштабны перспективы практического использования этих возможностей.
