А.С. Холманский ХИРАЛЬНОСТЬ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ (С. 38-52)

А.С. Холманский

ХИРАЛЬНОСТЬ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ

ВНИИ электрификации сельского хозяйства, Москва,  Россия

Institute of electrification of Agriculture, Moscow, Russia

 

ХИРАЛЬНОСТЬ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ
А.С. Холманский
В статье исследовались аномалии температурной зависимости (TD) оптической активности (хиральности) водных растворов глюкозы, декстрана и желатина в диапазоне 2-40оС. Все TDимеют излом в районе 21-23оС. Из аррениусовской аппроксимации TD хиральности растворов сахаров ниже точки излома получена энергия активации ~0,34 кДж/моль, близкая к энергиям маятниковых колебаний молекул в кластерах и к энергии первых вращательных уровней орто и пара спин-изомеров воды. В диапазоне 2-25оС обнаружены флуктуации хиральности растворов с аномальной амплитудой и временами жизни от ~1 до ~60 мин. Анализ полученных и известных TDпоказал, что динамика и кинетика релаксационных процессов в растворах зависит от химической структуры и концентрации растворенных молекул. Экстремальный характер TDи аномальные флуктуации хиральности растворов сахаров при температурах ниже 25оС связали с квантово-кооперативными эффектами в надмолекулярной структуре воды.
Ключевые слова: вода, сахара, хиральность, флуктуации, аномалии
 
 
CHIRALITY PHYSIOLOGICAL FLUIDS
A.S. Kholmanskiy
We studied the temperature dependence of the anomaly (TD) optical activity (chirality) aqueous solution of glucose, dextran, and gelatin in the range of 2-40° C. All TD have a break in the area 21-23° C. From the Arrhenius approximation TD chirality sugar solutions below the knee obtained activation energy of ~ 0.34 kJ/mol, which is close to the energy of the pendulum vibrations of molecules in clusters and the energy of the first rotational levels of the ortho and para isomers of spin-isomer of water. In the range of 2-25° C detected chirality fluctuations solutions with anomalous amplitude and lifetimes of ~1 to ~60 min. Analysis of the known and TD showed that the kinetics and dynamics of the relaxation processes in solution depends on the chemical structure and concentration of solute molecules. The extreme nature of TD and anormal fluctuations chirality sugar solutions at temperatures below 25° C associated with quantum cooperative effects in the supramolecular structure of water.
Keywords: water,  sugar, chirality,  fluctuations,  anomaly.
 
http://dx.doi.org/10.18454/ASY.2016.26.1117

 

Введение.

Аномальные физические свойства воды в процессе эволюции, возможно, сыграли ключевую роль в возникновении и адаптации живых организмов к условиям внешней среды. Прежде всего, это относится к аномалиям плотности (ρ) и изобарной теплоемкости (СР) воды. Температурные зависимости (ТDs) ρ и СР имеют экстремумы при Тех=4 и 35о С, соответственно (Kholmanskiy, 2015). Данные экстремумы предопределили температурный диапазон жизнедеятельности для большинства растений и животных. Семена многих растений во влажной среде пробуждаются при 3-5оС (стратификация). Спектр оптимальных температур прорастания семян имеет максимум в диапазоне 20-25оС (рис. 1), а жизнедеятельности теплокровных животных в диапазоне 30-40оС.

Вода как матрица живой системы обеспечивает ее целостность на макроуровне и динамичность на микроуровне. Функции матрицы реализуются благодаря высокому содержанию воды в составе физиологических жидкостей (PHL) и динамике гидратных оболочек биомолекул.Под PHL подразумеваются соки растений, плазма крови, лимфа, ликвор, синовия и другие жидкости живых организмов. При гидратации меняются физико-химические свойства метаболитов и самой воды. Таким образом, от состояния воды на макро и микроуровне зависят структура и реология PHL, проницаемость клеточных мембран и кинетика внутриклеточной биохимии.

Kholmansky_1_1_2016

Рис. 1. Распределение оптимальных температур прорастания семян  растений Северного полушария: зерновые (19 видов), овощи (47 видов), цветы (20 видов), деревья и кустарники (21 вид), сорные травы (47 видов).

Большинство метаболитов в составе PHL зеркально асимметричны  (хиральны) и обладают оптической активностью (молочная и гиалуроновая кислоты, аминокислоты, белки, сахара). Хиральность PHL и аномальные свойства воды, очевидно, внесли свой вклад в генезис диссимметрии биосферы и латеральной асимметрии высших млекопитающих. В ряде работ (Кизель, 1985; Твердислов, 2013; Холманский, 2009, 2010, 2011) обсуждается возможность участия в филогенезе диссимметрии живых организмов универсального хирального фактора (СF), физическая природа которого до сих пор не установлена.

Два типа аномальной термодинамики воды

Свойства PHL в той или иной степени сочетают в себе физико-химические свойства воды и растворенных молекул. Последние при определенных условиях могут играть роль маркеров молекулярной динамики и структуры воды. Жидкую воду обычно представляют моделью из двух фракций с различной локальной плотностью и организацией водородных связей (НВs) (Kholmanskiy, 2014, 2015; Zakharov, 2011, 2012). А-фракцию в этой модели образует флуктуирующая сетка из тетраэдрических НВs. Сетка включает кластеры с гексагональной льдоподобной структурой (W6-кластеры) и кластеры, изоморфные спиральным цепочкам из НВs (Wα-кластеры, Рис 2)  и гидратным оболочкам метаболитов.  Согласно расчетам (Shimkevich  A., ShimkevichI., 2011) Wα-кластеры при 15-40о С  могут включать 10-12 молекул воды, после соответствующей трансформации двух циклов W6-кластеров. Основу более плотной В-фракции составляют димеры воды (Kholmanskiy, 2014).

Перестройки структур А- и В-фракций подразделяют на два типа в зависимости от энергии активации (ЕА) молекулярных движений, лимитирующих ТD того или иного свойства воды (Kholmanskiy, 2015). К I-типу относятся перестройки сетки НВsс разрывом НВ. Данный тип лимитирует ТD динамической вязкости (η), коэффициента диффузии (D) и времени диэлектрической релаксации воды (τ). Значения ЕА для этих ТDменяются от 13 до 21 кДж/моль в зависимости от диапазона  ТD. Перестройки структур А-фракции относят к II-типу (Kholmanskiy, 2015). Их лимитируют вращательно-ориентационные движения в кластерных структурах и квантово-кооперативные эффекты. Величины ЕА перестроек II-типа составляют от 0,6 до ~6 кДж/моль, что сравнимо с энергией маятниковых колебаний молекул воды (0,18-1,0 кДж/моль (Zakharov, 2011)). Перестройки II-типа в основном определяют термодинамику аномальных ТD скорости звука, ρ и CР.

Kholmansky_2_1_2016

Рис. 2. Структуры Wα- и W6-кластеров воды и метаболитов. a) – Модель спиральной цепочки из 12 молекул воды, связанных тетраэдрическими водородными связями (пунктирные линии). Рисунок а) из работы ShimkevichA., ShimkevichI. (2011); атомы водорода (красные шарики), когерентно флуктуирующие между атомами кислорода (синие шарики), розовые – атомы водорода не входящие в структуру спиральной цепочки. b) – Кристаллическая структура льда; с) – глутаминовая кислота; d) – глицин; е) – глюкоза; f) – трегалоза.

         

Из водных растворов, моделирующих PHL наибольший интерес представляют растворы NaCl, глюкозы (GL), трегалозы (TG), декстрана (DX) и аминокислот – глицина (G) и глутаминовой кислоты (GA) (рис. 2). Физико-химические свойства этих метаболитов позволяют использовать их в модельных растворах в качестве маркеров аномальных свойств воды. Вариации структуры и концентрации (С) метаболитов могут избирательно влиять на динамику и кинетику релаксационных процессов в воде. Дополнительную информацию можно получить, преобразовав зависимость от С в зависимость от расстояния между метаболитами (R) с помощью соотношения:

                            R = 1,18 C–1/3,                     (1)

где  С выражается в моль/л,  а R в нм.

Вработе Холманского А.С. и  Стребкова Д.С.  (2007), где исследовалась  ТDsнизкочастотного спектра тангенса диэлектрических потерь (tg δ) чистой воды и раствора NaCl низкой С, показано следующее. В интервале 0-20оС в частотном спектре tg δ раствора NaClнаблюдается полоса с максимумом на частоте (νmах) 20 кГц. При повышении Т до 40оС эта интенсивность полосы падает вплоть до исчезновения, при этом в спектре tg δ появляется полоса с νmах 50 кГц. Поскольку полоса при 20 кГц характерна для спектра tg δ льда, ее в случае жидкой воды отнесли к спектру tgδ W6-кластеров. Полосу с νmах при 50 кГц связали с кварцеподобной структурой НВs воды, изоморфной тетраэдрическим цепочкам на рис. 2а.

       Оцифровав графики на рис. 3.11 из работы Л.П. Семихиной (2015), мы получили значения tgδ на νm=20 кГц при 20, 30, 50оС. В  относительных единицах (r.u.) они составили 79, 67, 45, соответственно. Из аррениусовской аппроксимации этой зависимости следует ЕА = 15 кДж/моль, которая совпадает с величиной ЕА для τ и Dводы в диапазоне 25-90о С (Kholmanskiy, 2015). Отсюда следует, что термодинамика аномалий tgδ чистой воды лимитируется флуктуациями НВ и вклад в нее перестроек кластерных структур А-фракции несущественен.

Частотный спектр tg δ растворов GLс концентрацией вплоть до насыщенных близок к спектру tg δ чистой воды. На основании этого заключили (Семихина, 2015), что молекулы GL внедряются в сетку НВs воды с минимальным ее возмущением. Этому способствует подобие  и соразмерность структур GL и W6 (рис.  2).

Молекула G воде приобретает форму цвиттериона (ZG) с дипольным моментом ~10 дебай (Кондратьев, Самченко, Комаров, Кабанов, 2005), а GAстановится анионом. Данные особенности электронных структур молекул проявились на спектрах tgδ растворов G и GА (0,03 М/л) при 35о С (Семихина, 2015). В случае Gполоса при 50 кГц спектра tgδWα-кластеров А-фракции воды сместилась к 75 кГц. В спектре раствора GAнаблюдается только полоса с νmах при 25 МГц, характерная для В-фракции воды и растворов электролитов.

Kholmanky_3_1_2016

Рис. 3. Аррениусовская зависимость частоты νmax  водного раствора глицина (1 моль/л). Стрелками показано направление изменения температуры раствора.  Исходные данные взяты из статьи Л.П. Семихиной (2015).

 

Преобразование TDlgνmах раствора G (1 М/л) на Рис 3.32 из (Семихина, 2015) в аррениусовскую зависимость (Рис 3) позволило оценить ЕА для трех интервалов Т: 24 (0-25); 28 (35-70); 26 кДж/моль (40-20оС). Различие в ЕА на первом и втором линейных участках TDνmах, очевидно, обусловлено скачком в TDνmах чистой воды в районе 35-40оС (Семихина, 2015). Увеличение ЕА TDνmах в 1,7 раза для раствора G(1 моль/л, R~1 нм) по сравнению с ЕА TDtgδ для чистой воды свидетельствует о существенном влиянии ZG на структуру воды и динамику флуктуаций НВs.

 Л.П. Семихина (2015) получила линейную зависимость диэлектрической проницаемости (ε)  раствора G от С  на частоте 15 кГц. Величина ε линейно росла в интервале от 0,1 до 2 моль/л и затем падала при 2,5 моль/л. При таких СG величина R составляет ~2,5-0,87 нм, что сравнимо с размерами ZG с учетом его гидратной оболочки, включающей 12-17 молекул воды (Кондратьев,  Самченко, Комаров, Кабанов, 2005). Поскольку С, согласно (1), пропорциональна R–3, то увеличение ε с ростом С свидетельствует о влиянии на τ воды взаимодействия диполей ZG. Очевидно, что при СG>2 моль/л ZGассоциируют в димеры с малым дипольным моментом и при этом высвобождается из гидратных оболочек до половины молекул воды, что и приводит к снижению эффекта ZG на ε раствора.

Концентрационные эффекты дисахаридов

Для растворов GL и TGс весовой долей (wt) не превышающей содержание сахаров в PHL известно следующее. Величина ЕА флуктуации НВ воды в растворе  GLсоставляет 19-23 кДж/моль в интервалах Т 13-65 оС и wt30-60% (Gallina, Comez, Perticarolietal. 2008). В растворе TG с wt 0-33% величина ЕА флуктуации НВ воды составила 14-16 кДж/моль в интервале 0-100оС (Lerbret, Affouard, Bordatetal., 2010). Эти значения для воды хорошо согласуются с величинами ЕА для D, η и τ, равными 21 и 15-17 кДж/моль в диапазонах 0-25 и 25-90оС, соответственно (Kholmanskiy, 2015).При wtTGбольше 33% величина ЕА флуктуации НВ воды резко возрастала, достигая 30 кДж/моль при 66% (Lerbret, Affouard, Bordatetal., 2010).

 Kholmansky_4_1_2016

Рис. 4. Зависимости энергии активации вращательной релаксации TG от мольного отношения TG/вода. Исходные данные взяты из (Lerbret, Affouard, Bordatetal., 2010). (1) – деполяризованное рассеяние света, (2) – ЯМР.  Стрелкой показана концентрация, соответствующая wt 33%.

 

Оцифровав зависимости на рис. 2, взятые из работы (Gallina, Comez, Perticarolietal., 2008), мы оценили ЕА процесса вращательной релаксации TG при Т=25, 35, 45оС для разных мольных отношений TG/вода (рис. 4). Зависимость ЕА от СTGоказалась подобна полученной в (Lerbret, Affouard, Bordatetal., 2010) зависимости ЕА флуктуаций НВ воды от концентрации TG, мальтозы и  сахарозы. Резкое возрастание ЕА вращательной релаксации TG и флуктуаций НВ в растворах дисахаридов начинается при С>0,8 М/л или R

   

Структура и динамика воды в живых системах

Относительно структуры и динамики PHL in vivo известно следующее. Для большинства растений спектр tg δ связанной воды имеет максимум при 20-25 кГц. Учитывая этот результат и эпитаксиальный эффект гидратных оболочек биомолекул (Твердислов, 2013), можно полагать преобладание в PHL растительных тканей структур А-фракции воды. В работе А.А. Прокофьева  (1982) методом ЯМР установлено, что в гидратных оболочках структурных белков ЕА спин-спиновой релаксации протонов воды равна 7,6, а в оболочках полисахаридов – 12,6 кДж/моль.

В растительных плодах  и в набухших семенах есть свободная вода (Холманский, 2010). Спектр tg δ этой воды, а также PHL сочных плодов, грибов и примитивных животных (червей, личинок жуков) имел максимум при 20-25 МГц, совпадающий с максимумом спектра tg δ раствора NaCl (0,9%) (Семихина, 2015). Следовательно, в структуре свободной, объемной воды в растениях и в примитивных животных при Т~20оС доминирует В-фракция. С усложнением структуры организма животного (например, в ряду червь, лягушка, мышь) в спектре tgδ их PHL происходит замена  максимума при 20-25 МГц на максимум при 50 кГц, характерный для Wα-кластеров (Семихина, 2015). Более того, у мыши в состояние сна вместо максимума при 50 кГц появляется максимум при 20 кГц, характерный для W6-кластеров. Поскольку эта трансформация спектра tgδ обратна трансформации, вызванной повышением Т (Семихина, 2015), то ее можно связать с понижением Т тела животного во сне.

Очевидно, что в генезисе функциональной асимметрии мозга (ФАМ) аномалии воды и чувствительность РHL организма человека к CF сыграли свою роль. Значению оптимальной Т тела 36,6 оС соответствует существенное влияние квантовых эффектов на реологию крови (Холманский, 2010). Синовия и стекловидное тело содержат 0,73% NaCl, 0,053–0,075% сахара, около 1% гиалуроновой кислоты и коллагена. Измерения хиральности РHL показали следующее (Холманский, 2005). У физраствора плазмы крови (~5%) хиральность не обнаруживалась. У физраствора L-лактата (физиологической концентрации) α~0,08о. Величина α физраствора гиалуроновой кислоты (~0,8%) равнялась –0,82о. Механизм чувствительности РHL к внешним факторам,  завися от термодинамического состояния воды, по-видимому, будет меняться при вариациях Т в течении суток (снижение во сне). Таким образом, вода способствует установлению в живых системах ближнего и дальнего порядка, что повышает вероятность квантово-кооперативных эффектов, лежащих в основе адаптивной физиологии живых организмов. Анализ известных данных показал, что влияние растворенных метаболитов на надмолекулярную структуру и динамику воды существенно зависит от их электронной структуры, концентрации и температуры. При этом важную роль играет изоморфизм между структурами метаболита и кластера А-фракции воды. На основании этих данных можно полагать, что хиральные метаболиты или их асимметричные фрагменты  при участии гидратных оболочек способствуют формированию в PHLWα-кластеров воды и они вносят свой вклад в механизм чувствительности живых организмов к внешним факторам.

 В настоящей работе с целью выяснения механизмов самоорганизации воды в живых системах исследовалась зависимость оптической активности (хиральности) физиологических растворов сахаров и желатина от температуры.

 Материалы и методы

 Данные по оптимальным температурам прорастания семян типичных растений Северного полушария брали из различных сельскохозяйственных справочников и научных работ опубликованных в интернете. Исследовали физиологические растворы GL, декстрана (DX) и пищевого желатина (GE).

     На 100 мл воды для инъекций растворы содержали:

GL– 40 г декстрозы моногидрата; 0,1 М НCl до рН 3,0-4,0; 0,26 г NaCl;

DX– 10 г декстрана с молекулярной массой от 30000 до 40000 и 0,9 г NaCl;

GЕ – 4 г пищевого желатина и 0,9 г NaCl.

Угол вращения плоскости поляризации (α) света (λ589 нм) измеряли на круговом поляриметре СМ-3 (точность прибора ±0,02о, ошибка измерения ±0,04о) с кюветами длиной 10 и 20 см. Измерения проводили при комнатной (Тr = 24±2оС) и уличной Т (на балконе), которая менялась в диапазоне 2-25оС в течении марта-мая 2015 года.

Результаты и их обсуждение

Характеристики TD и флуктуаций хиральности растворов.

Из графиков, приведенных на рис. 5,6, следует, что при снижении Т величина α растворов GL и DXнезначительно возрастает и при этом резко увеличивается частота и амплитуда флуктуаций (|∆α|). TDs α растворов GL и DX имеют изломы и минимальные значения при Теx~21 и ~23оС, соответственно (Рис 6). При Т>Тех величина α  не менялась, сохраняя значение, соответствующее Тr на рис. 5. Аномальные величины |∆α| на Рис 6 для раствора GL были в ~2-3 раза больше, чем перепад α на границах диапазона 2-Тех оС. Для раствора DX эти величины были сравнимы.

Из аррениусовских аппроксимаций TDsдля Т<Тех (Рис 6) получены оценки EА – 0,33 и 0,36 кДж/моль для GL и DX, соответственно. Эти величины хорошо согласуются с EА, полученными в помещении при изменении Т с помощью термостата (Холманский, Стребков,  2007).

Kholmansky_5_1_2016

Рис. 5. Зависимости Т и α растворов GL (40%, кювета 10 см) и DX (10%, кювета 20 см) от времени. С 29  марта прибор стоял на балконе.

Kholmansky_6_1_2016 

Рис. 6. Зависимости α растворов GL (a) и DX (b) от температуры (линия – средние значения) и обратной температуры (линия – экспоненциональная аппроксимация). В рамках указаны даты и время наблюдения аномальных флуктуаций α раствора GL и параметры экспонент.

Время жизни флуктуаций меняется в диапазоне от минуты до часа, а величины |∆α| составляют 0,1-0,4о (Рис 7). Аномальные |∆α| возникают только при низкой активности геомагнитного поля (ГМП), характеризуемой значениями трехчасового индекса Ki ≤ 3 и почти синхронно с локальными возмущениями ГМП неизвестной природы. При их отсутствии и в периоды магнитных бурь (Ki ≥ 4), вызванных солнечным ветром значения α приближались к средним и значения |∆α| были существенно меньше, чем при Ki ≤ 3.

Kholmansy_7_1_2016

Рис. 7. Зависимости кинетики флуктуаций хиральности раствора GL(40%, кювета 10 см) от даты, времени, температуры и трехчасового индекса активности ГМП (Ki).

Температурные гистерезисы хиральности растворов

 В циклических TDs α растворов GL и DX (Рис 8a,b) ветви охлаждения и нагревания практически совпадают в пределах |∆α|. TD раствора GЕ имела петлю гистерезиса, подобную гистерезису TDνmах раствора G (1 моль/л) на Рис 3. Кроме того на ветви нагревания TD раствора GЕ наблюдается излом в районе 300К, аналогичный излому при той же Т на ветви нагревания TDνmах раствора G (Рис 3). В аминокислотном составе GЕ каждый третий фрагмент является остатком G, а расстояние между аминокислотными фрагментами в полипептидной цепи составляет ~0,9 нм (Миз, Джеймс, 1973).

В растворе G при СG ~1 моль/л R~1,2 нм и можно полагать, что ZG эффективно ассоциируют с образованием различных конгломератов (Стовбун, 2011), в том числе хиральных и комплиментарных полипептидным цепочкам GE. Отсюда следует подобие TDs α и νmахрастворов GE и G. Наличие петли гистерезиса в обеих TDs, очевидно, обусловлено образованием при низких Т устойчивых конфигураций из гидратированных полипептидных цепей GE и ассоциатов ZG

Kholmansky_8_1_2016

Рис. 8. Зависимости хиральности растворов от температуры:   а) –  глюкозы (40%), время измерения 1700-2000, 29-08-2005;  b) – декстрана (10%), 2000-2300, 14-09-2005; с) – желатина (4%), 2000-2200, 01-09-2005. Кюветы везде 20 см, стрелки показывают направления изменения температуры.

Возможный механизм аномалий хиральных растворов

Зависимость надмолекулярной структуры воды PHL от Т и С метаболитов проявляется и на TDsхиральности растворов GL и DX. Величины ЕА 0,33-0,36 кДж/моль, полученные из TDsα в диапазоне 0-40оС характерны для перестроек кластерных структур А-фракции II-типа. Вращательно-ориентационные движения и квантово-кооперативные эффекты в перестройках II-типа лимитирует термодинамика орто (OI) и пара (РI) спин-изомеров воды (Pershin, 2008;  Zakharov, 2012). Равновесное OI/РI отношение для свободных молекул воды согласно квантовой статистике равно 3:1. PIв основном состоянии не вращаются и поэтому эффективно образуют НВ. Первый вращательный уровень OIимеет энергию 0,29 кДж/моль относительно его нулевого уровня. Кванты энергии (hΩ) возбуждения первого вращательного уровня PIи второго уровня OIблизки к 0,38 кДж/моль (Tikhonov, 2002). Очевидно, что в структуре кластеров А-фракции будут преобладать PI, а включение в кластер OI или вращательно возбужденного PIсопряжено с излучением hΩ. Обратный процесс разрушения кластера требует поглощения молекулами воды hΩ. Близость значений ЕА, полученных из TD α к энергии первого уровня OI и к величинамhΩсогласуется с отнесением термодинамики аномалий хиральности PHL ко II-типу.

Переходы между кластерами и фракциями воды можно охарактеризовать количественно, используя энтропию (S), как меру упорядоченности А-фракции. Осцилляции междуW6- и Wα-кластерами в чистой воде и в растворах при Тех(4, ~21-25, ~35оС) будут инициировать переходы между А- и В-фракциями по механизму фазовых переходов первого рода (Zakharov, 2011). Вариации степени упорядоченности сетки тетраэдрических НВsможно выразить через изменения энтропии и тепловой энергии системы:

ΔS = |ΔQ|/Tех ≈ Сp(|ΔT|/Tех),                                     (2)

где |ΔQ| – тепловой эффект перехода; Сp – значение в Тех, а |ΔT|/Т ≈ (|Т-Тех|)/Tех << 1.

Возрастание  α  и  |Δα|  при Т<35оС  можно связать с переходами между А- и В-фракциями, в результате которых растут концентрации и степень организованности W6- и Wα-кластеров и уменьшается отношение OI/PI. Соответствующее снижение Sбудет сопряжено с излучением системой кластеров избыточной тепловой энергии ΔQ и со снижением локальной Т. Амплитуда флуктуаций возрастает при приближении Т к Тех (Dyson, Montroll, Kac, Fisher, 1973). Согласно формуле (2), аномальные флуктуации при кооперации кластеров А-фракции в Тех должны проявляться аномальными ΔT. Действительно, при мониторинге температуры воды Байкала нейтринным детектором Baikal-GVD, регистрируют нерегулярные всплески ΔT = 0,02–0,03 оСна глубинах 400–1000 м, где Т близка к 4оС  (Буднев и др., 2002). Аномальные ΔT наблюдают также при калориметрии процесса охлаждения чистой воды в точках, соответствующих Тех TD сжимаемости (45оС) и скорости звука (75оС)  (Кузнецов, Смирнов, Сыроешкин, 2008).

Кулоновские и диполь-дипольные взаимодействия в упорядоченных структурах А-фракции растворов модулируют динамику флуктуаций НВs и

отношение OI/РI (Dyson, Montroll, Kac, Fisher, 1973; Zakharov, 2012). Данные модуляции способствуют корреляциям вращательно-ориентационных движений молекул в системе кластеров в макромасштабе. Соответственно возрастают амплитуда и времена жизни флуктуаций сетки НВs в хиральных растворах, что и манифестируют аномальные |Δα| при Т≤25оС.

Можно полагать, что снижение Т мозга на ~1оС в процессе ночного сна способствуют увеличению доли Wα-кластеров в А-фракции. При этом динамика глаз в состоянии «сна с быстрым движением глаз» может манифестировать флуктуации хиральности PHL, которые модулируют нейрофизиологию мозга в этом состоянии. Вариации базальной Т, очевидно,  обеспечивают упорядочивание PHL женской яйцеклетки, необходимое для адекватной передачи генной информации в процессе ее оплодотворения и формирования генома нового человека.

Заключение

Проведенные исследования зависимости оптической активности (хиральности) водных растворов от температуры, концентрации и химической структуры метаболитов показали следующее. Температурная зависимость хиральности растворов сахаров имеет экстремальную точку в районе 20-23о С. Возрастание хиральности при температурах ниже этой точки связали с увеличением плотности спиральных кластеров в сетке тетраэдрических водородных связей. Соответствующая перестройка надмолекулярной структуры воды имеет энергию активации, сопоставимую с энергией возбуждения первых вращательных уровней орто и пара спин-изомеров воды. Корреляции спиновых состояний молекул воды в кластерах, вызванные внутренними и внешними факторами ответственны за аномальные флуктуации хиральности растворов сахаров при температурах близких к экстремальным точкам воды 4, 25, 35оС (Kholmanskiy, 2015). Таким образом, квантовые и кооперативные эффекты могут лежать в основе механизма сенсибилизации физиологических жидкостей к действию внешнего хирального фактора (Холманский, 2009)  при температурах ниже 40оС.

Список литературы:
 
  1. Буднев Н.М. и др. Некоторые особенности динамических процессов на оз. Байкал. http://bsfp.iszf.irk.ru/bsfp2002/articles/Parfenov.htm
  2. Кизель В.А. Физические причины диссимметрии живых систем. – Moscow. – 1985. 
  3. Кондратьев М.С., Самченко А.А., Комаров В.М., Кабанов А.В. Некоторые аспекты структуры и конформационной лабильности природных l-аминокислот и модельных олигопептидов. – 2005. http://www.mce.su/archive/doc15592/doc.pdf
  4. Кузнецов Д. М.,  Смирнов А. Н.,  Сыроешкин А. В. Акустическая эмиссия при фазовых превращениях в водной среде // Российский химический журнал. – 2008. – №52. – С. 114-121. http://www.chem.msu.su/rus/jvho/2008-1/114.pdf
  5. Миз К., Джеймс Т. Теория фотографического процесса. – Ленинград: Химия. – 1973.
  6. Прокофьев А.А. Физиология семян. – Москва. – 1982.
  7. Семихина Л.П.. Диэлектрические и магнитные свойства воды в водных растворах и биообъектах в слабых электромагнитных полях. – Тюмень. – 2005.
  8. Стовбун С.В. Формирование струн в слабых растворах хиральных веществ // Хим. физика. –  2011. – №30. – С. 3.
  9. Твердислов В.А. Хиральность как первичный переключатель иерархических уровней в молекулярно-биологических системах // Биофизика. – 2013. – №58. – С. 159-164.
  10. Холманский А.С. Оптическая активность сахара и космофизика // Физико-химический анализ свойств многокомпонентных систем.  –  2005. – №3.  http://fh.kubstu.ru/fams/issues/issue03/st0302.pdf  
  11. Холманский А.С., Стребков Д.С. Зависимость оптической активности растворов сахаров от температуры // Доклады РАСХН. – 2007. – №5. – С. 57. 
  12. Холманский А.С. Зависимость ресурса функциональной асимметрии мозга от внешних условий // Асимметрия. –  2009. – №3. – С. 51-62.   http://j-asymmetry.com/2011/12/holmansky_1_2009_1/
  13. Холманский А.С. Хиральность и квантовые эффекты как факторы морфогенеза // Математическая морфология. – 2010. – №9. http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-28-html/kholmanskiy-2/kholmanskiy-2.htm
  14.  Холманский А.С., Минахин А.А. Физические факторы асимметрии биомеханики опорно-двигательного аппарата // Математическая морфология.  –  2011. – №10. http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-32-html/holmanskiy/holmanskiy.htm
  15.  Gallina M.E., Comez L., Perticaroli S. et al. Density fluctuations of water–glucose mixtures studied by inelastic ultra-violet scattering // Philosophical Magazine.  –  2008. – Vol. 88. – P. 3991-3998.
  16. Gallina M. E., Comez L., Morresi A. et al. Rotational dynamics of trehalose in aqueous solutions studied by depolarized light scattering //  J. Chem. Phys. –  2010. – Vol. 132. – P. 214508 .
  17. Dyson F., Montroll E., Kac M., Fisher M. Stability and Phase Transitions.  –  Moscow. – 1973.
  18. Kholmanskiy А.S., Tilov А.Z., Sorokinа Е.Yu. Drying kinetics of plant products: Dependence on chemical composition // Journal of Food Engineering.  –  2013. – Vol. 117. – P. 378-382.
  19. Kholmanskiy A.S. Кinetic factor of extreme temperature dependences of the properties of water // Int.J. Alternat. Energy Ecol. – 2014. – Vol. 6. – P. 66-74.
  20. Kholmanskiy А.S. Activation energy of water structural transitions // Journal of Molecular Structure. – 2015. –Vol.1089. – P.124-128.
  21. Lerbret A., Affouard F., Bordat P. et al. Slowing down of water dynamics in disaccharide aqueous solutions. – 2010. http://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1005/1005.5327.pdf
  22. Pershin S.M. Coincidence of Rotational Energy of H2O Ortho-Para Molecules and Translation Energy near Specific Temperatures in Water and Ice //  Phys. Wave Phenom. – 2008. – Vol. 16. – P. 15-25.
  23. Shimkevich A., Shimkevich I. Adv. Condens. Matter Phys. – 2011. – Vol. 5.  http:// dx.doi.org/10.1155/2011/871231  (Article ID 871231).
  24. Tikhonov V.I., Volkov A.A. Separation of water into its ortho and para isomers // Science.  –  2002. – Vol. 296. – P. 2363.
  25. Zakharov S.D., Mosyagina I.V. The Cluster Structure of Water (review). FIAN. – 2011. http://preprints.lebedev.ru/wp-content/uploads/12/35_11_pr.pdf.
  26. Zakharov S.D. Ortho/Para Spin-Isometry Isomerism of H2O Molecules as the Leading Formation Factor of Two Structural Types in Water. – 2012.  http://www.biophys.ru/archive/h2o-00025.pdf
Комментарии и пинги к записи запрещены.

Комментарии закрыты.

Дизайн: Polepin