Майкл Брукс - Тринадцать вещей, в которых нет ни малейшего смысла
Большинство из них обусловлено характером слабых связей между молекулами воды. У кислородного атома в соединении H2O несколько электронов не связаны с водородными атомами своей молекулы. Однако их отрицательные заряды притягиваются к положительным зарядам водородных протонов в других молекулах.
Хотя эти связи, называемые водородными, неустойчивы — при нормальных температурах они то и дело разрываются, трансформируясь в круговороте молекул, — на них основаны многие необычные особенности воды. На них же фактически держится вся жизнь: именно водородные связи сделали Землю пригодной для человечества. Так, благодаря им вода, единственная из всех жидкостей, при охлаждении не сжимается, но расширяется. Оттого и лед не уходит на дно; а будь иначе, океаны бы промерзли насквозь, и лишь самый поверхностный слой таял под лучами солнца. Тогда сложные формы живой материи не смогли бы появиться на планете.
Но свойства воды связываются и напрямую с основами феномена, который мы зовем жизнью. Откликнувшись на просьбу одного из журналов издательской компании «Нейчур» написать обзорную статью о значении воды в биологии, Чаплин начал свой текст довольно-таки провокационным заявлением: «Давно пора воде утвердиться на законных основаниях в принадлежащей ей по праву роли — важнейшей и самой активной из всех биологических молекул».
Сам же профессор взял на себя роль начальника штаба, координатора кампании по признанию особых заслуг H2O в нашем мире. Его обзор читается как идейный манифест. Исследования сложных биомолекул Чаплин называет «более фешенебельными», но для любой из них вода служит главной движущей силой. Без электростатики водородных связей невозможны синтез и поддержание структуры белков, функциональной основы наших тел. Когда белковая молекула сформируется, вода служит ей «смазкой», водородные связи дают ее структуре гибкость и одновременно стабильность. Вода не менее важна для белков, чем аминокислоты, из которых состоят их молекулярные цепочки.
В ДНК водородные связи формируют вторичную — спиралевидную структуру нуклеотидов; ориентация молекул воды меняется в зависимости от парных сочетаний азотистых оснований и последовательности, в которой они соединены. Эта пространственная модель с ее электростатикой позволяет белкам (также содержащим воду) быстро сближаться и точно соединяться с соответствующими парами оснований. Таким образом, вода играет, по сути, центральную роль в обработке информации ДНК, а тем самым в развитии живой материи. «В театре жизни жидкая вода не статист, но кульминационный момент спектакля, — объясняет Чаплин. — Она выполняет свою работу и в виде изолированных молекул, и небольшими кластерами, и в более крупных сетях или целых жидкостных фазах, у каждой из которых свое обличье».
В 1998 году Чаплин описал гипотетическую структуру, которую образуют межмолекулярные взаимодействия воды. Его расчеты показали ассоциат, или кластер, из 280 молекул, сгруппированных в икосаэдр — правильный двадцатигранник, где каждая грань имеет форму равностороннего треугольника. Подобную конструкцию использовал в своих проектах геодезических куполов знаменитый архитектор Ричард Бакминстер Фуллер, но и в природе она не редкость: такую оболочку имеют многие вирусы, потому что это самый удобный и надежный способ «упаковки» их белкового содержимого.
Интересно, что фигуру эту связывали с водной стихией еще древние греки. Великий философ Платон определил пять «совершенных» тел, которые он приписал основным элементам Вселенной и их атомам. Из «кубического элемента», как самой устойчивой формы, состоит земля; огонь — правильный четырехгранник с устремленной ввысь вершиной; воздух — восьмигранник; эфир — двенадцатигранник, главная фигура мироздания и «воплощение всего сущего». Воде же, по Платону, соответствовал «обтекаемый» икосаэдр. Поразительно — в 2001 году, спустя три года после того, как Чаплин впервые предположил, что воде присуща эта структура, группа немецких исследователей увидела ее воочию под электронным микроскопом с гигантским разрешением; кластеры имели диаметр в миллионную долю миллиметра.
Икосаэдр — лишь одна из многоугольных форм, которые могут принимать молекулярные кластеры воды: они образуют и пентамеры, и октомеры, и декамеры; есть кубическая модификация, так называемый лед-семь, есть шестиугольный лед (всем известные снежинки)… но и это не исчерпывает богатства структурных моделей. В 2004 году Тацухико Кавамото с группой сотрудников сообщил в «Журнале химической физики», что вода при сжатии или охлаждении разделяется на аккуратные бусинки, каждая из которых чем-то отличается от других. Словно на галечном пляже: с высоты он кажется гладким и однородным, но стоит спуститься с променада, как обнаружится, что у всех камешков разные форма, величина, оттенки, гладкость и твердость. Причина явления, которое наблюдал Кавамото, — всё те же водородные связи, неустойчиво скрепляющие молекулы воды друг с другом. Подобно тому как галечные окатыши в разной мере и с разной скоростью деформируются под ударами волн, набегающих на берег, каждая из этих связей по-своему реагирует на изменения среды. Потому кластеры в общей водной массе так разнообразны по форме и величине.
Новые доказательства гетероморфизма водяных молекул появились в том же 2004 году, когда исследовательская группа во главе с физикохимиком из Стэнфорда Андерсом Нильсоном сообщила в журнале «Сайенс», что вода может структурироваться цепочками и кольцами. После всех подобных свидетельств видеть в ней лишь банальное скопление одинаковых молекул с формулой H2O — просто наивно. С научной точки зрения вода гораздо сложней и интересней.
Надо сказать, ни одно из этих открытий не послужило индульгенцией для нетрадиционной медицины. Большинство исследователей структурированной воды бежит от гомеопатии как от огня. Словно эта область заминирована со времен провального открытия Бенвениста и последующих гонений на него. Незадачливого ученого можно по праву счесть Понсом и Флейшманом от гомеопатии, любой собрат по профессии опасается разделить его участь. Но в истории Бенвениста параллель тянется еще дальше: любые идеи насчет того, каким бы образом сложные кластерные структуры воды могли подкрепить позицию гомеопатов, оказываются столь же тщетными, как старания обосновать холодный термоядерный синтез.
Однако были и попытки объяснить действие гомеопатических медикаментов с этих позиций. Вероятно, самая основательная из них на сей день — обширная статья, опубликованная в 2005 году в журнале «Инновации в области испытания материалов» («Materials Research Innovations»). На первый взгляд четверка авторов составляет солидный академический коллектив: Рустум Рой, основатель и директор лаборатории материаловедения Университета штата Пенсильвания; доцент того же университета Ричард Гувер; Уильям Тиллер, возглавлявший кафедру материаловедения в Стэнфорде; и Айрис Белл, профессор медицинских дисциплин в Аризонском университете.
Значительную часть статьи занял обзор научной литературы. Общая посылка заключается в том, что свойства веществ зависят не столько от их химического состава, сколько от структуры. В этом убеждают, например, две несхожие аллотропные модификации углерода — мягкий чешуйчатый графит и твердый алмаз. Аллотропия воды проявляется гораздо шире (здесь авторы сослались на наблюдение Мартина Чаплина, что ее молекулы могут создавать ассоциаты в составе от двух до 280 единиц), и нельзя исключить сосуществование различных форм внутри одного и того же водного тела. Ведь вода, как подчеркивают четверо ученых, варьирует свою структуру намного легче и свободней всех иных, жидких или твердых, веществ.
Однако смысловой центр статьи — явление эпитаксии: в данном контексте имеется в виду перенос информации между молекулярными структурами без участия материальных носителей либо химических реакций. Если же речь об обычной практике, то эпитаксия используется, например, в полупроводниковой промышленности для наращивания слоев одного кристаллического материала на другой. Твердый кристалл — чаще всего арсенид галлия, иногда стекло или керамику — помещают в жидкий галлий с растворенным кремнием. Регулируя температурный режим, можно постепенно вывести из раствора кремниевые атомы и осадить их на поверхности кристалла-подложки. Образующаяся структура воспроизводит по всем параметрам узлы его решетки, то есть пространственное расположение атомов. Такой процесс называют жидкофазной эпитаксией; помимо этого в производстве полупроводников широко применяется осаждение из парогазовой фазы с помощью инфракрасного излучения. Наши компьютеры, хайтековские таймеры, тостеры и другие современные приборы — во многом плоды этих технологий.
