Вода - прото-организм

Воейков В.Л.
Биологический факультет МГ им. М.В. Ломоносова

Сущность живого состояния

Более 70 лет тому назад Эрвин Бауэр сформулировал принципы (аксиомы), позволяющие выявить фундаментальные различия между живыми и неживыми системами. На этом аксиоматическом фундаменте он заложил здание Теоретической биологии, как самостоятельной науки в противовес к общепринятому отношению к ней как к специальному разделу современной физики и химии [1].

Первый принцип – Принцип устойчивого неравновесия гласит: «Все и только живые системы никогда не бывают в равновесии и исполняют за счет своей свободной энергии постоянно работу против равновесия, требуемого законами физики и химии при существующих внешних условиях».
Устойчивое неравновесие характерно для всех уровней организации живой системы, включая молекулярный. Материя в неравновесном (возбужденном) состоянии отличается от той же самой материи в равновесном (основном) состоянии. При переходе материи из неравновесного в равновесное состояние освобождается энергия. Бауэр назвал эту энергию «структурной энергией» и, в соответствии со вторым его принципом, «Принципом работы системных сил» «в живых системах всякая работа внутри их или направленная против их изменения может производиться только за счет структурной энергии, т.е. системными силами». Для поддержания неравновесного, возбужденного состояния работоспособных структурных элементов живой системы все они должны быть настолько взаимозависимы, что живая система может рассматриваться как многоуровневая когерентная система.


«Структурная энергия» в соответствии с тем определением, что приведено выше, а также способ ее использования принципиально отличаются от тех, что характерны для неживой природы, точнее – техносферы. Источники энергии для выполнения работы машинами и неживыми природными системами (например, водопад) лежат вне них,  а сами они служат пассивными трансформаторами ее во внешнюю работу. Напротив, живые системы благодаря неравновесному состоянию своих структур сами являются источниками энергии, которую они используют только для сохранения этого состояния.


При выполнении работы против равновесия неравновесные структуры теряют энергию возбуждения и неизбежно движутся к равновесному состоянию, характерному для неживой материи. Для поддержания своего неравновесного состояния живой системе непрерывно требуется вновь заряжать свои структуры или замещать их на новые, также неравновесные. Бауэр определяет эту форму работы как «внутреннюю», и она характерна только для живых систем. Эта работа осуществляется за счет структурной энергии других компонентов данной живой системы и сколь бы ни эффективной она не была, общий запас свободной энергии живой системы будет снижаться. Для компенсации потерь, восстановления своих неравновесных структур системе необходимо извлекать вещество и энергию из среды. Эта работа живой системы – «внешняя работа» также осуществляется только за счет ее собственной структурной энергии.

И здесь возникает проблема. Необходимо объяснить, каким образом извлеченная из среды внешняя энергия может полностью скомпенсировать потери собственной структурной энергии для поддержания ее хотя бы в стационарном неравновесном состоянии. Еще более трудная проблема возникает для объяснения стадии роста и развития, на которой суммарный объем свободной энергии живой системы растет, при том, что используются для этого лишь собственные энергетические ресурсы живой системы. Нет ли здесь нарушения Первого закона термодинамики?

Бауэр решил эту проблему, введя понятие «потенциал живой материи» (μ – «структурная энергия единицы живой массы»). Начальное значение потенциала, μo, у любой «новорожденной» системы (яйцеклетка, семя, дочерняя микробная клетка), с начальной живой массой mo должно быть достаточным для обеспечения прироста структурной энергии (F) на стадии роста и развития. При росте живой системы ее потенциал снижается. Рост не является простым увеличением физической массы, а представляет собой увеличение объема заряженных структурной энергией материальных компонентов до некого значения М, которое должно превышать удвоенное значение начальной живой массы (mo) даже для простейшего случая  размножения микробных клеток путем простого деления. Этот избыток необходим, потому что обе дочерние клетки должны получить от материнской тот же запас структурной энергии (Fo), что имела материнская клетка в момент своего появления. Тогда материнская клетка должна в течение своего жизненного цикла создать запас структурной энергии F=μ*M, который, по меньшей мере, вдвое больше, чем Fo=μo*mo, при том, что μ<μo. Начальное значение μo должно быть таким, чтобы обеспечить такой прирост структурной энергии.

Если расчеты Бауэра относительно взаимозависимости μ и m верны, все проявления жизнедеятельности — от обмена веществ в клетке до эволюции биосферы автоматически следуют из Принипов Бауэра [2]. Но в основе теории лежит необъясненное происхождение μo (как и mo) у, так сказать, “первичного яйца». Ниже мы попытаемся показать, что недавние открытия уникальных свойств воды позволяют восполнить этот пробел в теории Бауэра.

Вода живых систем — первичный источник структурой энергии.
Наиболее важными молекулярными компонентами живых клеток и организмов сегодня считают био-макромолекулы. Однако возьмем например, такое живое существо, как медузу. Некоторые из них содержат по массе более 99% воды и лишь ничтожная часть их массы приходится на белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды и т.д. Без сомнения вода медузы – жидкая вода, а ее молекулы ничем не отличаются от молекул воды в той воде, в которой медуза обитает. Тем не менее, как водная система эта очень чистая «живая вода» медузы принципиально отличается от «обычной» воды, в которой она обитает. Медуза – крайний пример некого особого состояния воды, но очевидно, что существенная часть воды у других организмов находится в том же состоянии, что и вода медузы. Очевидно, что состояние воды медузы определяется биополимерами, хотя они составляют ничтожную часть ее массы. Многие выдающиеся биологи прошлого обращали внимание на особые свойства воды, находящейся в контакте с биополимерами, но лишь совсем недавно американский биофизик G. Pollack убедительно продемонстрировал, что вода, гидратирующая гидрофильные поверхности, настолько отличается по своим свойствам от «объемной» воды, что ее можно считать четвертым агрегатным состоянием воды [3].

Pollack обнаружил, что толщина слоя «особой» воды, прилегающей к гидрофильным поверхностям, может достигать сотен микрон. Эта вода отличается от объемной по вязкости, плотности, температуре замерзания, диэлектрическим свойствам. Множество веществ, хорошо растворимых в обычной воде, в этой воде не растворяются, и поэтому Поллак назвал воду, прилегающую к гидрофильным поверхностям “Exclusion Zone Water (EZ-water)” (вода зоны исключения). Для дальнейшего обсуждения важны три наиболее неожиданных ее свойства. EZ-вода заряжена отрицательно относительно контактирующей с ней объемной воды (ее потенциал достигает - 150 мв); она обнаруживает сильное поглощение УФ-света при 270 нм, а при освещении при этой длине волны флуоресцирует. Наконец, толщина слоя EZ-воды увеличивается при освещении видимым светом и особенно при поглощении ИК-излучения (пик при 3000 nm). Все эти свойства говорят о том, что электроны в этой воде находятся на гораздо более высоком уровне возбуждения, чем в обычной воде и что для их освобождения (ионизации воды) требуется сравнительно небольшая энергия активации. Поскольку свет, особенно в ИК-области спектра увеличивает толщину слоя EZ-воды, повышая ее электрон-донорную емкость, EZ-вода на практике может служить практически неисчерпаемым источником электронов.

Для превращения потенциальной энергии квази-свободных электронов EZ-воды в свободную энергию, способную производить работу, необходим акцептор электронов. Естественным их акцептором служит кислород, а исходным источником кислорода на Земле является сама вода. Биологический фотосинтез – не единственный способ производства кислорода из воды, это лишь наиболее эффективный способ. Есть немало данных о том, что вода в весьма мягких условиях может расщепляться на атомы и продуцировать кислород в уже активном состоянии, в котором он является эффективным акцептором кислорода [4]. Когда молекула кислорода акцептирует 4 электрона (+ 4 протона), образуются 2 молекулы воды и освобождается более 8 эВ высококачественной энергии. Если источником электронов служит вода, то суммарная реакция выглядит так:
2H2O + O2 à O2 + 2H2O + n*hν (Energy)

Но как можно извлечь энергию из реакции превращения воды обратно в воду? Ответ заключается в том, что молекулы вода в левой и в правой частях уравнения принадлежат разным структурам, первые – EZ-воде, способной служить донором электронов, вторые – к объемной воде, находящейся в основном состоянии. Таким образом, энергия, освобождающаяся при осуществлении этого процесса – это структурная энергия, освобождающаяся при превращении EZ-воды, пребывающей в устойчиво неравновесном состоянии, в основное, газо-подобное состояние воды.

Этот процесс отвечает как требованиям Принципа работы системных сил, так и Принципа устойчивого неравновесия, так как по меньшей мере часть  освобождающейся энергии может быть использована для восстановления EZ-воды, теряющей по 2 молекулы Н2О на каждую молекулу O2. Нарушения Первого закона термодинамики здесь не происходит, поскольку пока существует гидрофильная поверхность, формирующая EZ-воду, пока есть энергия ИК-излучения, EZ-вода существует. Т.о., EZ-воду можно рассматривать как «прото-организм», обладающий начальным запасом структурной энергии, (Fo=μo*mo), которую он может использовать на осуществления работы против равновесия.

Какую внешнюю работу может выполнять EZ-вода как для поддержания своей устойчивости, так и для повышения общего объема структурной энергии системы? Часть энергии электронного возбуждения, освобождающейся при восстановлении кислорода, может быть использована для возбуждения CO2 и N2, если они присутствуют в водной системе, часть которой представлена EZ-водой, а часть – водой в основном состоянии. Возбуждение этих субстратов позволяет запустить цепные реакции, в ходе которых возникают сложные органические молекулы и идет их полимеризация. Гидрофильные полимеры, их ансамбли, возникающие в воде, представляют собой новые поверхности, превращающие обычную воду в EZ-воду. Насколько эффективно даже небольшое количество биополимеров может превращать обычную воду в EZ-воду видно на примере медузы. При развитии этого процесса возрастет общий объем структурной энергии системы, а также, вероятно, повышается и значение μo. Такая система может осуществлять все больше и больше внешней работы.

Этот сценарий представляет собой реализацию Третьего принципа Теоретической биологии Бауэра. Этот принцип – «Принцип увеличивающейся внешней работы, как историческая закономерность» определяет вектор биологического развития (эволюции) на всех уровнях организации живых систем. Развитие можно определить как спонтанное возникновение новых процессов и осуществляющих их структур, обеспечивающих повышение степени дифференцирования различных частей живой системы, при одновременном совершенствовании координации их функциональной активности. Одновременно совершенствуется и облегчается способность живой системы взаимодействовать со средой. В результате развития растет устойчивость неравновесного состояния живой системы.

В этом кратном эссе мы попытались обосновать Принципы Теоретической биологии Эрвина Бауэра в отношении реальных живых систем, которые в самом общем виде представляют собой системы, содержащие различные формы EZ-воды, контактирующей с «обычной» водой. Мы полагаем, что из представленного выше материала следует, что Реальная Вода обладает всеми свойствами живой системы, отвечающей сформулированным Бауэром принципам.

Остается вопрос: индуцируется ли неравновесное состояние воды лишь предсуществующими гидрофильными поверхностями, или же это состояние внутренне присуще воде. И здесь мы должны обратиться к теории воды G. Preparata и E. Del Giudice, основанной на общепринятых принципах квантовой электродинамики [5]. В соответствии с их теорией, когда плотность материи и ее температура достигают определенных пороговых значений, в материи появляются когерентные домены. В отличие от частиц, не входящих в такие домены, частицы (атомы, молекулы) в них осциллируют между основным и возбужденным состояниями в унисон. В случае воды при комнатной температуре около 40% ее молекул пребывают в когерентных доменах (диаметр последних порядка 0.1 мкм). Энергия возбужденного состояния молекул воды, принадлежащих когерентным доменам, лишь немного ниже энергии ионизации воды, поэтому когерентный домен – потенциальный донор электронов. Если в окружающей домены некогерентной воде растворены CO2, N2, другие химические элементы (водород и кислород хотя бы в минимальной концентрации всегда присутствуют в воде) достаточно небольшой энергии активации для инициации цепных реакций, в ходе которых появляются гидрофильные поверхности. Эти поверхности покроются EZ-водой, которая, по существу представляет собой особую форму (или формы) когерентного домена.

Из всего вышесказанного можно заключить, что жизнь во всех известных нам формах является необходимым следствием уникальных свойств самой распространенной на Земле субстанции – Воды.


Литература

• Бауэр Э.С. Теоретическая биология. Москва-Ленинград: ВИЭМ, 1935
• Voeikov V.L. The scientific basis of the new biological paradigm, 21st Century Science & Technology, 12, No 2, 18-33 (1999)
• Zheng J.M., Chin W.C., Khijniak E., Khijniak E. Jr, Pollack G.H. Surfaces and interfacial water: evidence that hydrophilic surfaces have long-range impact, Adv Colloid Interface Sci., 23, 127, 19-27 ( 2006).
• Voeikov V.L. Biological oxidation: over a century of hardship for the concept of active oxygen, Cell Mol Biol (Noisy-le-grand), 51(7), 663-75 (2005).
• Del Giudice E., Preparata G., et al. Water as a free electric dipole laser, Phys. Rev. Lett., 61, 1085-1088 (1988).