Обычная вода — H₂O. Тяжёлая вода — D₂O. Разница? Вместо обычного водорода в молекуле сидит его «старший брат» дейтерий. У обычного водорода в ядре один протон. У дейтерия — один протон плюс один нейтрон. Мелочь? Последствия драматичные.
Один стакан — лёгкое головокружение. Неделя регулярного употребления — необратимое бесплодие. Две недели — летальный исход.
Однако тяжелая вода в низких дозах - ценна для здоровья, помогает лечить рак.
Прямо сейчас в стакане воды перед вами плавают молекулы тяжёлой воды. Около 150 штук на каждый миллион обычных молекул. За всю жизнь вы выпиваете 15 литров чистой тяжёлой воды — и это абсолютно безопасно при обычной концентрации в природе.
Давайте посмотрим, что представляет из себя тяжелая вода и как один нейтрон так сильно меняет привычную нам воду.
Дейтерий — водород с лишним весом
Дейтерий открыли в 1931 году. Американский физик Гарольд Юри из Колумбийского университета предсказал его теоретически, а потом нашел экспериментально. За это открытие Юри получил Нобелевскую премию в 1934-м.
Дейтерий встречается везде, где есть водород. В океанах, реках, ледниках, вашем организме. Его атомная масса в два раза больше обычного водорода — отсюда и название «тяжёлый». Ядро дейтерия содержит один протон и один нейтрон вместо одного протона у обычного водорода. Этот дополнительный нейтрон и меняет всё.
Вода, которая ведёт себя неправильно
Тяжёлая вода выглядит как обычная — прозрачная, без запаха. Но физические свойства у неё другие.
Она на 11% плотнее. Литр тяжёлой воды весит на 100 граммов больше литра обычной.
Замерзает она не при нуле, а при +3,8°C. Кипит не при 100°C, а при 101,4°C. Вязкость выше на 25%, поэтому течёт она медленнее. Звук в ней тоже распространяется на 4% медленнее.
Самый зрелищный эффект — лёд из тяжёлой воды тонет в обычной воде. Он не будет плавать, как обычный лёд.
Но главное отличие — химическое. Реакции в тяжёлой воде идут в 5-10 раз медленнее, чем в обычной. Причина — в прочности водородных связей.
Для неживой химии это просто интересный факт. Для живых организмов — вопрос жизни и смерти.
Какая на вкус тяжелая вода
На вкус — да. Исследование 2021 года показало: люди способны отличать D₂O от H₂O по вкусу. Тяжёлая вода активирует сладкие вкусовые рецепторы. Она слегка сладковатая.
Эксперимент провели так: участникам давали пробовать образцы воды вслепую. Тяжелую воду описывали как «слегка сладкую», «немного странную», «не совсем как вода».
Один стакан — головокружение, две недели — могила
Выпейте стакан чистой тяжёлой воды (100-200 мл) — почувствуете головокружение через 10 минут. Механизм простой: во внутреннем ухе находится вестибулярный аппарат, который определяет положение тела в пространстве. Он работает благодаря жидкости в полукружных каналах.
Когда туда попадает тяжелая вода, плотность жидкости меняется на 11%. Рецепторы моментально чувствуют разницу и сигнализируют мозгу: «Что-то не так!». Мозг интерпретирует это как изменение положения. Результат — иллюзия вращения, неустойчивость.
Головокружение проходит через 6 часов. Тяжелая вода распределяется по всему организму, концентрация выравнивается, вестибулярный аппарат успокаивается. Никаких последствий. Однократное потребление небольшого количества тяжёлой воды безопасно.
А если пить каждый день?
Возьмём человека весом 70 кг. Он выпивает по три литра чистой тяжелой воды вместо обычной. D₂O не выводится достаточно быстро — начинается накопление.
День 1-3: дейтерация (процент замещения обычной воды на тяжёлую) достигает 10%. Лёгкое головокружение, слабая тошнота, небольшое снижение энергии. Клетки работают в режиме стресса, но адаптируются. Полностью обратимо.
День 5-7: дейтерация 22%. Усталость не спадает. Аппетит пропадает. Вес падает на 3-5 кг за неделю. Сон нарушен. Настроение угнетено. Внутри клеток происходит катастрофа: синтез белков замедлился на 40%, митохондрии производят на 35% меньше АТФ — энергетической «валюты» организма. Мозг первым реагирует на энергетический голод — человек чувствует непрекращающуюся усталость.
При дейтерации 25% наступает точка невозврата. Половые клетки — сперматозоиды и яйцеклетки — требуют быстрого деления (мейоз). Это энергетически самый «дорогой» процесс. Когда синтез ДНК замедляется в 5-10 раз, половые клетки не успевают завершить деление. Включается программа самоуничтожения — апоптоз. Половые клетки гибнут. Развивается необратимое бесплодие.
День 7-10: дейтерация 25-40%. Спутанность сознания. Атаксия — нарушение координации движений. Судороги. Нарушение речи. Периодическая потеря сознания. Почечная недостаточность — отёки, задержка мочевины в крови. Печень отказывает — токсины накапливаются, развивается энцефалопатия. Костный мозг перестаёт производить кровяные клетки — анемия, уязвимость к инфекциям.
Далее - полиорганная недостаточность. Все органы отказывают одновременно. Кома. Остановка сердца или потеря дыхательного рефлекса.
Однако, тяжелая вода в целом и дейтерий в частности нужны человечеству. Они полезны для технологий и даже спасают жизни!
Где используют тяжёлую воду сегодня
Сегодня D₂O — незаменимый компонент ядерной энергетики. В реакторах типа CANDU (Канада) и PHWR (Индия) тяжёлая вода работает как модератор нейтронов.
Модератор — это вещество, которое замедляет быстрые нейтроны до тепловых энергий, необходимых для поддержания цепной ядерной реакции деления урана.
D₂O эффективно замедляет нейтроны, почти не поглощая их. Реакторы на тяжёлой воде могут работать на природном необогащённом уране. Экономия огромная: не нужно тратиться на обогащение топлива.
Тяжелая вода в микродозах выступает как лекарство. Умеренный окислительный стресс активирует защитные механизмы, убивает раковые клетки, снижает депрессию, улучшает работу сердца.
Дейтерированные соединения применяют как молекулярные метки. Учёные вводят дейтерий в молекулу лекарства и отслеживают её метаболизм в организме. Дейтерий виден в масс-спектрометрии — можно понять, куда уходит препарат, как быстро разрушается, какие метаболиты образуются.
В науке D₂O незаменима. Ядерный магнитный резонанс использует тяжелую воду как растворитель — дейтерий не даёт сигналов в спектре водорода, позволяя чётко различать сигналы от исследуемых молекул.