Е.Т. КУЛИН
ИОННАЯ ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРЕТНОГО СОСТОЯНИЯ ВОДЫ
Вторая редакция
Аннотация
Электреты – это твердотельные диэлектрики и
полупроводники, способные длительное время (месяцы, годы) генерировать сильное
электростатическое поле, напряженность которого достигает значений порядка 108В/м.
Эта способность возникает в результате воздействия на них сильного
электрического либо магнитного поля, коронного разряда, ионизирующей радиации и
других факторов, создающих анизотропию свойств вещества.
Электреты используются как источник сильного
электрического поля в миниатюрных электродвигателях, в микрофонах, в
пьезоэлектрических датчиках, в качестве индикаторов в дозиметрах ионизирующей
радиации, в ячейках памяти и в других технических устройствах. Электретированные
полимерные пленки, т.е. пленки из полимеров, в которых создано электретное
состояние и которые соответственно способны длительно генерировать сильное
электрическое поле, используются в травматологии и ортопедии для покрытия
травмированных костей. Благодаря этому время сращивания костей сокращается в 2
– 2,5 раза и предотвращаются послеоперационные осложнения.
В начале 70-х годов минувшего столетия обнаружено, что
характерное проявление электретов – долговременная генерация сравнительно
сильного электростатического поля присуща живым тканям, а также проявляется в
мертвых тканях при их медленном нагревании в интервале температур 40 – 120оС.
В последующих исследованиях установлено, что посредством сильного
электростатического поля, обусловленного электретным состоянием гидратных
оболочек, (далее электретное поле) белковые молекулы осуществляют
биологические функции, необходимые для жизнедеятельности клетки. Учитывая это и
указанное выше использование электретов как источников сильного электрического
поля в технических устройствах, очевидна важность познания механизма генерации электретного
поля. Это возможно, основываясь на молекулярной теории электретов. Такая теория
наряду с ее научно-познавательной ценностью может быть использована при
проектировании более совершенных медицинских технологий и технологий в
различных областях практической деятельности людей.
В 70-х годах 20-го столетия экспериментально установлено,
что характерное свойство электретов, т.е. сравнительно сильное
электростатическое поле в минералах, полимерах и биополимерах длительно
генерирует вода, связанная в их веществе. Из этого следует, что механизм
генерации электретного поля образован из элементов структуры воды и в нем
задействованы присущие ей процессы.
Вода состоит из двух компонентов: жидкой воды и водных
кластеров. Водные кластеры – это ассоциации молекул воды, содержащие от двух
молекул до нескольких десятков тысяч молекул. Им присущи следующие свойства:
удельная плотность 1,35 -- 1,40 г/см3, удельное электрическое
сопротивление 108 Ом . см, водородный показатель (рН) в
пределах 5 – 7,5, электрический дипольный момент и жидкокристаллическое
агрегатное состояние. Так как электреты образуются только в твердотельном
веществе, то очевидно, что молекулярной основой электретного состояния воды являются
твердотельные водные кластеры.
Согласно законам электродинамики электростатическое поле
генерируют неподвижные электрические заряды. В водных кластерах носителями таких зарядов являются неподвижно
расположенные ион-молекулярные комплексы (комплексные ионы). Комплексные ионы образуется
вследствие ассоциации молекул воды с ионами водорода (Н+) и
гидроксила (НО--), которые возникают в результате диссоциации
молекулы воды. Эти ионы взаимодействуют с
молекулами воды и образуют c ними комплексные ионы,
имеющие следующие составы: Н+. Н20,
названный ионом гидроксония (Н3.0+), и --0Н.Н20,
который далее будет называться гидроксид-гидратом (Н3.02--). Вследствие гидратации ионам гидроксония и гидроксид-гидрата присущи гидратные оболочки, состоящие из одного либо двух мономолекулярных слоев молекул воды.
С момента возникновения катиона водорода и аниона
гидроксила (гидроксид), а затем вследствие преобразования их в комплексные ионы
окружающие их молекулы воды подвергаются действию сильного электростатического
поля, так как каждый из этих ионов содержит элементарный электрический заряд и
соответственно количество электричества, равное 1,6.10—19Кл.
Такое количество электричества на расстоянии одного ангстрема (0,1 нм) создает
поле напряженностью 109В/м. Величина напряженности этого поля убывает
обратно пропорционально 2-ой степени расстояния. Учитывая это, в зонах шириной
10 нм вокруг иона гидроксония и гидроксид-гидрата существует поле
напряженностью порядка 107В/м и соответственно вода в этих зонах
находится в сильном электрическом поле. Благодаря этому она приобретает двойное
лучепреломление (эффект Керра). Это свидетельствует о том, что жидкая вода в
этих слоях перешла в жидкокристаллическое состояние. Из этого следует, что в указанных зонах вокруг иона
гидроксония и гидроксид-гидрата образовались твердотельные ареалы. Эти ареалы представляют собой ассоциации молекул воды и известны как водные кластеры. Благодаря наличию ионных диполей водные кластеры непрерывно генерируют электростатическое поле. Учитывая это и наноразмерность, водный кластер отождествлен с наноэлектретом.
В гидратных оболочках комплексные ионы занимают стационарное, т. е. неподвижное, расположение, благодаря
водородным связям с прилегающим к ним слоем молекул оболочек. При этом
гидратные оболочки этих ионов препятствуют их рекомбинации. Вместе с тем
благодаря электростатическому притяжению иона гидроксония и гидроксид-гидрата
образуется электрический диполь. На полюса этого диполя находятся однозарядные
разноименные ионы, содержащие по элементарному электрическому заряду. Такие
электрические диполи далее будут называться ионными диполями.
С момента образования ионные диполи генерируют
электростатическое поле до момента их гибели вследствие рекомбинации
составляющих их ионов. Процесс рекомбинации происходит следующим образом. При поглощении ионным диполем энергии, достаточной для разрыва водородных связей иона
гидроксония либо гидроксид-гидрата с молекулами их гидратных оболочек,
соответствующий ион становятся свободным. В частности, если становится
свободным катион гидроксония, то он притягивается к аниону гидроксид-гидрата, и
происходит их рекомбинация. В результате рекомбинации ионный диполь преобразуется в молекулы воды. Однако благодаря
непрерывной диссоциации молекул воды непрерывно образуются ионные диполи и
восполняют их убыль, которая происходит вследствие рекомбинаций. Следовательно,
от соотношения интенсивности процессов образования и разрушения ионных диполей
зависит их количество в кластере и соответственно величина напряженности
создаваемого им электрического поля. Очевидно, что генерация поля водным кластером
не ограничена во времени при условии преобладания процесса образования в нем
ионных диполей над процессом их разрушения, т.е. преобразования их в
электрически нейтральные молекулы воды.
Как показано выше, водные кластеры -- это наноэлектреты. В зависимости от условий образования создаются
наноэлектреты, содержащие как один, так и два ионных диполя. Наноэлектрет,
содержащий один ионный диполь, обозначен как наноэлектрет 1 типа (< -----+ ). В
наноэлектретах, содержащих два ионных диполя, векторы напряженности их полей располагаются как
однонаправлено (< ---- + < ---- +), так и
разнонаправлено (< ----+ + ---- >) и (+---- > < ----+). Наноэлектреты
с однонаправленными векторами напряженности поля ионных диполей обозначим как наноэлектреты
2 типа, а наноэлектреты с разнонаправленными векторами соответственно –
наноэлектреты 3 типа и наноэлектреты 4 типа.
При совокупном упорядоченном расположении наноэлектретов образуется
большой электрет (макроэлектрет). Благодаря суперпозиции электрических полей
входящих в него наноэлектретов ему присуща долговременная генерация сильного
макроскопического электростатического поля, напряженность которого доступна
измерению за пределами электрета в воздухе с помощью электрометрических
вольтметров.
В зависимости от соотношения типов наноэлектретов
макроэлектрету присуще поле дипольной либо шарообразной конфигурации. При этом
макроэлектреты, созданные наноэлектретами 3 типа, имеют отрицательный знак
поверхностного заряда, а макроэлектреты, образованные наноэлектретами 4 типа, –
положительный знак поверхностного заряда. Образование наноэлектретов и
изменение типа образующихся наноэлектретов происходи примерно с такой же
скоростью, с какой совершается процесс диссоциации молекул воды.
Таким образом, исходя из ионной теории,
молекулярную основу механизма генерации электретного поля составляет обратимый
химико-физический процесс образования и разрушения ионных диполей, которые содержатся в водных кластерах и представляют собой неизвестные ранее микрочастицы воды.
Образование и разрушение этих частиц
происходит непрерывно благодаря непрерывно текущему обратимому процессу
электролитической диссоциации молекул воды.
Ионная теория электретного состояния воды разработана на
основе результатов анализа феноменологии электретного и биоэлектретного
эффектов. В связи с этим в первой главе монографии изложен обзор основных
проявлений этих эффектов, во второй описаны свойства водного кластера, в
третьей -- теория образования и электретного состояния водного кластера, а в
четвертой рассмотрены характерные проявления электретного состояния воды в
аспекте ионной теории. В пятой главе описаны и рассмотрены проявления
биомеханики на клеточном и субклеточном уровнях биологической организации в аспекте ионной теории элетретного состояния воды.
Abstract
Electrets are
solid dielectrics and semiconductors capable of long-term (months, years)
generating of a strong electrostatic field, the intensity of which reaches
about 108 V/m. This ability
is the result of exposure to strong electric or magnetic field, corona
discharge, ionizing radiation and other factors causing anisotropy of the
properties of matter.
Electrets
are used as a source of strong electric fields in miniature electric engines,
microphones, piezoelectric sensors, as indicators in ion radiation dosimeters, in
the memory cells, and in other technical devices. Film polymers in the electret state are used in traumatology
and orthopedics to cover the injured bone. That reduces the healing time by 2 - 2.5 and
prevents post-surgery complications.
In the
early 1970-ies, it was found that living tissues are capable of a long-term
generation of a relatively strong electrostatic field, which is an electret characteristic
phenomenon. The field is also manifested
in dead tissues when they are slowly heated in the temperatures between 40 -
120°C. Subsequent studies have shown
that protein molecules perform their vital functions through the strong
electrostatic field (further - the electret field) due to an electret state of
hydration shells. Given this and the above-mentioned
use of electrets as sources of a strong electric field in technical devices,
the importance of understanding how this field is generated is clear. The molecular theory of electrets makes this
possible. Such a theory, along with its
scientific and educational value, can be used in the design of more advanced technologies
in medicine and practice.
In the 1970s,
it was established experimentally that bound water generates a relatively
strong electrostatic field in minerals, polymers, and biopolymers. This implies that the mechanism of the
electret field generation includes elements of water structure and it involves its
inherent processes.
Water is composed
of two components: the liquid water and water clusters. Water clusters are the association of water molecules
from several of them to tens of thousands.
They are characterized by the following properties: gravity (1.35 - 1.40
g/cm3 ), electrical resistance (108 Ohm · cm), pH (5 -
7.5), the electric dipole moment, and a liquid crystal aggregate state. Since electrets are only formed
in a solid substance, it is evident solid water clusters are the molecular
basis of the electret state of water.
According to the laws of electrodynamics,
static electric charges generate the electrostatic field. In the water clusters, the carriers of such
charges are non-moving ion-molecular complexes (complex ions). Complex ions are formed as the result of
association of water molecules with ions of the hydrogen (H+) and
hydroxyl (HO--), which are formed as the result of water molecules
dissociation. These ions react with
water molecules to form complex ions: +Н.Н20 called
hydronium ions (H3.0+) and --0H.H20,
which hereinafter will be referred to as hydroxide-hydrate (H3.02--). Due to hydration, hydronium and hydroxide-hydrate
ions possess hydration shells, which consist of one or two monomolecular layers
of water molecules.
From the moment of hydrogen cation
and hydroxyl (hydroxide) anion formation and then converting them into complex
ions, surrounding water molecules are exposed to a strong electrostatic field
because each of these ions contains an elementary electric charge and,
consequently, the amount of electricity equal 1,6·10-19Kl. This amount of electricity within one
angstrom (0.1 nm) creates a field with tension 109 V/m. The intensity of this field decreases in
inverse proportion to the second index of the distance. Given this, a field of about 107
V/m exists in a 10 nm zone around a hydronium ion and hydroxide hydrate, and
hence the water in these zones is prone to a strong electric field. Thus, it acquires birefringence (Kerr effect). This suggests that liquid water in these
layers crossed into a liquid crystal state.
Hence, solid areas are formed around the hydronium ion and hydroxide
hydrate. These areas represent water
molecules associations and are known as water clusters. Because of ion dipoles, water clusters
constantly generate an electrostatic field.
Due to this and its size, the water cluster is rightly identified with a
nanoelectret. Complex ions
of hydration shells are stationary, i.e. in a fixed position due to a hydrogen
bond with the surrounding layer of molecule membranes. Furthermore, hydration shells of these ions
inhibit their recombination. However, due to the
electrostatic attraction of the hydronium ion and hydroxide hydrate they form
an electrical dipole. On the poles of
this dipole there are opposite charged ions, each containing the elementary
electric charge. Such electric dipoles
are called ion dipoles.
From the
moment of formation to their disintegration due to ion recombination, ion
dipoles generate an electrostatic field.
The recombination process occurs as follows. When an ion dipole absorbs energy sufficient to break
the hydrogen bonds of hydroxonium ion or hydroxide-hydrate with molecules of
its hydrate shells, the corresponding ion becomes free. In particular, if the hydronium cation
becomes free, it is attracted to the negatively charged hydroxide-hydrate and
their recombination occurs. As the
result, the ion dipole is converted into water molecules. Due to continuous water molecules
dissociation, ion dipoles are formed constantly and they replenish their waning. Consequently, the number of ion dipoles in
the cluster -- and hence the magnitude of the tension created by their electric
field -- depends on the ratio of their formation and destruction processes
intensity. Obviously, the water cluster
can generate the field indefinitely if the formation of ionic dipoles dominates
over the process of their destruction, i.e. their converting into electrically
neutral water molecules.
As it was
explained above, water clusters are nanoelectrets. Depending on conditions, nanoelectrets are
created to contain one or two ion dipole. A nanoelectret with one dipole is designated as
a nanoelectret type 1 (< -----+). Two-dipole nanoelectrets have unidirectional (< ---- + < ---- +) field vectors
as well as opposite (< ----+ + ---- >) and (+---- > < ----+). Nanoelectrets with unidirectional field vector
will be called nanoelectrets type 2 and nanoelectrets with multi-directional
vectors, will be called nanoelectrets type 3 and type 4 correspondingly.
With a
combined ordered arrangement of nanoelectrets a large electret (macroelectret)
is formed. Due to the superposition of
the electric fields, a macroelectret generates a strong long-term electrostatic
field, which can be measured in the air with the electric voltmeters.
Depending
on the ratio of nanoelectret types, a macroelectret can have a field of a dipole
or spherical configuration. In addition,
macroelectrets formed by type 3 nanoelectrets have a negative surface charge
and macroelectrets formed by type 4 nanoelectrets have a positive surface
charge. Nanoelectret formation and their
type change occur approximately at the same speed as the process of water
molecules dissociation.
Thus, based on
the ion theory, the molecular basis of the mechanism of the electret field
generation is a reversible chemical and physical process of formation and
destruction of ion dipoles. These
dipoles form the core of water clusters and are being previously unknown water micro-particles. The formation and destruction of these
particles occurs continuously due to a continuous reversible process of
electrolytic dissociation of water molecules.
The Ion Theory
of the Electret State of Water is based on the analysis of the electret and
bioelectret effects. In this regard, the
first chapter of the monograph contains an overview of the main manifestations
of these effects. The second chapter
describes the water cluster properties.
The third chapter describes the theory of a water cluster formation and its
electret state. The fourth chapter
explores characteristic manifestations of the electret and bioelectret effects
in terms of the ion theory of the electret state of water. And the fifth chapter discusses phenomena of cell biomechanics.
- ЭЛЕКТРЕТНЫЙ И БИОЭЛЕКТРЕТНЫЙ
ЭФФЕКТЫ
В начале 20-х годов минувшего столетия М.Егучи обнаружил,
что расплав карнаубской смолы, канифоли и пчелиного воска, застывший в сильном
электрическом поле, приобрел свойство длительно генерировать сильное
электростатическое поле. Благодаря результатам этих исследований было подтверждено существование класса физических объектов, которые предсказал
О.Хевисайд и назвал электретами по аналогии с названием магниты (магнеты в
английском звучании).
Электретный эффект - это характерное проявление
электретов. Оно обусловлено долговременной генерацией сильного
электростатического поля. Внутренние параметры этого поля следующие: высокая
напряженность, которая постепенно в течение месяцев-лет снижается до величин,
близких к нулю, и сложная динамика величины и знака напряженности поля при
комнатной температуре. [1 -3]
По знаку напряженности электретного поля различают два
типа электретов: монопольные и дипольные электреты. Монопольным электретам
(далее моноэлектреты) присущ поверхностный положительный либо отрицательный
заряд на всей их поверхности и соответственно знак напряженности поля в зоне
вокруг электрета. Дипольному электрету присущи поверхностные заряды
противоположного знака на его противоположных поверхностях и соответственно в
зоне вокруг него электрическое поле имеет дипольную конфигурацию.
Биоэлектретный эффект – это электретный эффект, который
присущ живым тканям. [4,5] Параметры поля этого эффекта аналогичны параметрам
поля электретного эффекта. Его
особенность заключается лишь в том, что его параметры зависят от процессов
обмена веществ в клетках.
В настоящее время благодаря исследованиям, проведенным
учеными ряда стран, установлено, что электретное состояние может быть
искусственно создано и образоваться самопроизвольно в веществе твердотельных и
жидкокристаллических диэлектриков и полупроводников и является одним из их
фундаментальных свойств. [6,7] Напряженность поля электретов, в частности, у
полимерных электретов достигает значений 108В/м, а его генерация
может длиться в течение нескольких лет. [8-10] Продолжительность генерации поля
электретом (далее электретное поле) значительно сокращается при повышении
температуры. В частности, она сокращается до нескольких часов у полимерных
электретов при их нагревании в интервале температур 60 – 140оС.
(График 1.1 рис. 1.)
При поглощении электретами энергии, которая присуща ионизирующей
радиации, величина напряженности их поля мгновенно снижается и уменьшается
время его генерации, т.е. время жизни электрета. Так, в частности, при
поглощении электретом ионизирующей радиации в дозе, равной 1 мрад, эффективная плотность их
поверхностного заряда уменьшается с 1,8×10-9 Кл/см2 до 0,66×10-9
Кл/см2. [11] Это
свидетельствует о том, что большие кванты энергии, присущие ионизирующей
радиации, разрушают электретное состояние вещества.
Электретное состояние образуется в твердотельном веществе
вследствие действия сильного электрического либо магнитного поля, коронного
разряда и других факторов, которые вызывают анизотропию его свойств: электрическую
анизотропию, т.е. электрическую поляризацию, оптическую анизотропию,
анизотропию диэлектрической проницаемости, анизотропию электропроводимости и
других свойств. [1] (Далее указанные факторы будут называться анизотропогенными.)
Характерной особенностью механизма генерации электретного
поля является зависимость его параметров от температуры: при медленном ее
повышении и достижения ею определенной величины изменяется как величина и знак
напряженности электретного поля, так и силы и направления течения
электрического тока. (График 1.1 рис. 1) Из графика на рисунке следует, что существует
корреляция изменения его силы и направления течения с изменением
плотностью поверхностного заряда
и его знаком. Этот факт свидетельствует
о том, что ток течет вдоль градиента напряженности электретного поля и является
его атрибутом. Этот ток преимущественно называют термостимулированным током
(ТСТ ).
 |
Рисунок 1. График 1.1 -- электрет из полиэтилентерефталата: сплошная кривая – это динамика плотности поверхностного заряда, а штриховая – это динамика силы термостимулированного тока (ТСТ). (Скорость нагревания исследуемого электрета 30С/мин); график 1.2 -- динамика напряжения электростатического поля проростков диплоидного и тетраплоидного клевера; график 1.3 -- динамика силы ТСТ стебля фасоли; график 1.4 ---динамика напряжения электростатического поля 2-х человек в состоянии спокойного бодрствования: кривая 1 и кривая 2 отражают динамику напряжения поля испытуемых людей, кривая 3 отражает динамику напряжения фонового поля в камере; график 1.5 -- динамика силы ТСТ костной ткани телят; график 1.6 -- динамика силы ТСТ костной ткани человека.
|
|
Совокупность длительной генерации электростатического поля и ТСТ характерное проявление электретного эффекта.
Для его идентификации достаточно обнаружения одного из его компонентов, т.е.
поля либо ТСТ.
|
Принципиально важным в изучении электретного эффекта
явилось обнаружение естественного электретного эффекта в живых и мертвых
биологических тканях и достоверно установленный факт: молекулярная основа
электретного эффекта – это связанная вода в минералах, полимерах и
биополимерах. [12 – 18]
Впервые характерное проявление естественного электретного
эффекта, т.е. длительную генерацию электростатического поля, обнаружили в живой
растительной ткани немецкие ученые Грам и Герц в 1962 году. [19] С целью
дистанционного определения электрических токов, присущих живым тканям, они
применили вольтметр, основанный на явлении электростатической индукции
(вольтметр с вибрирующим электродом), и на расстоянии 1–2 мм от поверхности колеоптиля кукурузы обнаружили
электростатическое поле, величины напряжения которого были в пределах 30 – 65 мВ. Изменения напряженности этого поля
коррелировали с изменениями силы электрического тока, который присущ живым
тканям и назван постоянным током (далее – ПТ ). Этот ток – характерное свойство
живых тканей человека, животных и растений. [20] Величина напряжения
обнаруженного поля зависела от тканевого метаболизма: при введении в
питательный раствор исследуемого растения индолуксусной кислоты (ауксина) –
стимулятора метаболизма напряженность поля возрастала, а при введении
2,4-динитрофенола --- ингибитора метаболизма на порядок снижалась.
Факт существования у живой растительной ткани долговременного
электростатического поля, генерация которого зависит от тканевого метаболизма,
подтвержден в последующих исследованиях, проведенных рядом ученых. [21 - 23] Результаты
одного из них отражены на графике 1.2 рисунка 1. На графике видно, что
восходящая часть кривой напряжения поля совпадает с периодом начального
размножения клеток семян клевера вследствие гидратации их на влажной
фильтровальной бумаге, а ее нисходящая часть соответствует периоду увядания
проростков семян вследствие их дегидратации и соответственно снижения в них
интенсивности метаболизма.
Второй компонент электретного эффекта, т.е. ТСТ, обнаружен в живой
растительной ткани в 1964 году. [21] Результаты этого исследования отражены на
графике 1.3 рисунка 1. В дальнейшем наличие ТСТ у живых растительных тканей
подтверждено в исследованиях, проведенных на проростках озимой пшеницы и
листьях толстянки портулаковой. [22, 23]
Таким образом, в 1962 и 1964 годах в живой растительной ткани были
обнаружены оба компонента электретного эффекта – долговременное поле и ТСТ, но
они не были идентифицированы как естественное электретное состояния ее
вещества.
В 1973 году Э. Менефи обнаружил спектр ТСТ у игл
дикобраза, которые не подвергались действию анизотропогенных факторов. [24]
Основываясь на этом факте, он идентифицировал естественное электретное
состояние белка кератина, из которого состоят иглы. В этом же году автором
настоящей монографии опубликованы результаты исследований о прижизненном
существовании у людей электростатического поля, генерация которого зависела от
тканевого обмена веществ. [25] Основываясь на результатах анализа этого факта, идентифицирован
естественный электретный эффект живых тканей. Учитывая его зависимость от
тканевого обмена веществ, обнаруженный эффект назван биологическим электретным
эффектом (биоэлектретный эффект
). [25, 26]
Существование электростатического поля в воздухе вблизи поверхности тела
человека известно с начала минувшего столетия, когда были созданы
электрометрические вольтметры, позволяющие измерять напряжение электрического
поля в воздухе. Происхождение этого поля связывали с зарядами, которые
возникают на поверхности кожи человека при трении. Эти заряды называют
трибоэлектрическими. При заземлении поверхности кожи человека они нейтрализуются в
течение нескольких минут. [27]
В 1972 году при условии нейтрализации трибоэлектрических зарядов на
поверхности тела у практически здоровых людей обнаружено электрическое поле,
генерация которого зависела от тканевого обмена веществ. [25] Это поле
отождествлено с естественным электретным эффектом живых тканей. Динамика
полевого компонента этого эффекта, т.е. динамики напряжения биоэлектретного
поля, у двух испытуемых практически здоровых людей в состоянии спокойного
бодрствования отражена на графике 1.2 рисунка 1.
Второй компонент биоэлектретного эффекта – динамику силы ТСТ в переживающей
костной ткани теленка описали А.Либофф и М.Фурст. [28] (График 1.5 рис.1) Как
установили эти ученые, обнаруженная ими динамика ТСТ обусловлены белком
коллагеном, который составляет 25 –35 % белка, содержащегося в тканях
теплокровного организма. В образцах переживающей костной ткани человека
динамика ТСТ описана в работе [29] и отражена на графике 1.6 рисунка 1.
Таким образом, из результатов описанных выше
экспериментальных исследований следует, что естественное электретное состояние
присуще как живым, так и мертвым тканям человека, животных и растений.
Вещество твердотельных и жидкокристаллических минералов,
полимеров и биополимеров содержит связанную им воду. [30 – 33] В связи с этим
исследована роль связанной воды в образовании электретного состояния вещества и
установлено, что эта вода является его молекулярной основой. [32 -- 37] Обзор
результатов этих исследований и их анализ
С.Маскаркенас опубликовал в 1979 году. [32 ]
Электретное
состояние связанной воды, в частности, показано на примере белка лизоцима. [33]
В молекуле белка лизоцима как и в молекулах других белков связанная вода
содержится в их гидратных оболочках. [38 ] При разрушении гидратных оболочек
белковые молекулы теряют способность осуществлять биологические функции. [39] Во
влажных образцах белка лизоцима электретное состояние образуется в результате
действия электрического поля напряженностью 105В/м, а в его
обезвоженных образцах при такой и большей напряженности не образуется. (Рис. 2b). Отраженная на рисунке корреляция степени влажности
образцов и высоты пиков ТСТ свидетельствует о том, что возрастание количества воды взаимосвязано с возрастанием количества источников электретного
поля. Это подтверждает положение о том,
что связанная вода является молекулярной основой электретов.
 |
Рисунок 2. На графике 2 а кривая отражает динамика ТСТ полимера, перешедшего в электретное состояние; на графике 2 b кривая – динамику ТСТ белка лизоцима, перешедший в электретное состояние; на графике 2 с кривая отражает -- динамику ТСТ природной воды озера Байкал; на графике 2 d кривая -- динамику ТСТ дистиллированной воды того же озера.
|
Связанная вода является молекулярной основой электретного состояния
вещества минералов. [32] Влажные и обезвоженные образцы, в частности, оксида алюминия
помещали в электрическое поле напряженностью порядка 105В/м и
охлаждали их до температуры – 250о С. При медленном повышении
температуры электретное состояние проявлялось во влажных образцах и не
проявлялось в обезвоженных.
Способность природной
воды самопроизвольно переходить в электретное состояние обнаружили российские
ученые. [40] Они установили, что вода озера Байкал, залитая в полимерную
измерительную ячейку оригинальной конструкции, через некоторое время переходит
в электретное состояние. (Рис. 2 с, d) Авторы исследования
полагают, что разность электрических потенциалов, которая обусловливает ТСТ,
создается благодаря кулоновскому взаимодействию молекул и ионов воды с твердой
поверхностью ячейки.
Таким образом, в
настоящее время экспериментально установлено, что молекулярной основой
электретного состояния минералов, полимеров и биополимеров является
содержащаяся в них связанная вода. Учитывая это, в дальнейшем под термином
«электрет» будет подразумеваться электретное состояние связанной воды.
Характерная особенность
биоэлектретного эффекта – это зависимость его полевого компонента, т.е.
биоэлектретного поля, и соответственно силы ТСТ от тканевого обмена веществ
(далее метаболизм). Эту зависимость обнаружили Грам и Герц, которые
экспериментально установили падение напряжения биоэлектретного поля колеоптеля
кукурузы при поступлении в клетки растения ингибитора метаболизма
2,4-динитрофенола. Это же наблюдается при прекращении доступа кислорода в
клетки живых тканей человека и животных. [25] Как поступление в живые клетки
2,4-динитрофенола, так и прекращение доступа к ним кислорода влечет прекращение
процесса фосфорилирования белковых молекул, благодаря которому в них образуется
химическая энергия, необходимая для генерации биоэлектретного поля (0,42 – 0,63
эВ ).
На важную роль
естественного электретного состояния биологических тканей в процессах жизнедеятельности
обратил внимание Г. Сесслер. «Биоэлектреты играют в жизненных процессах важную
роль, поэтому дополнительные знания в этой области без сомнения откроют новые
горизонты в медицине» [41] Это положение
подтверждено результатами экспериментальных исследований клеточной биомеханики.
Белковые молекулы
посредством биоэлектретного поля осуществляют
биологические функции, в частности, упорядоченное движение молекул, ионов и
надмолекулярных образований во внутриклеточном пространстве, деление клетки, транспорт
веществ через её плазматическую мембрану и др. [42] Совокупность упорядоченных
движений молекул, ионов, надмолекулярных образований и субклеточных элементов в
живых клетках называют клеточной биомеханикой. Ряд процессов клеточной
биомеханики рассмотрен в пятой главе монографии и показано, что их движущей
силой является пондермоторное
действие биоэлектретного поля белковых молекул, т.е. дистанционное силовое
действие электростатического поля.
Электреты практически используются в качестве силовых
элементов миниатюрных электродвигателей, источников сильного электрического
поля, в пьезоэлектрических датчиках, микрофонах, дозиметрах ионизирующей
радиации, ячейках памяти и в других технических устройствах. Пленки из
полимеров, в которых создано электретное состояние, используются в
травматологии и ортопедии для покрытия травмированных костей. Благодаря этому
время сращивания костей сокращается в 2 – 2,5 раза и предотвращаются послеоперационные
осложнения. [43,44] Покрытие костей лицевого черепа пленкой из
электретированной окиси тантала исключает местные воспалительные процессы и
сокращает время приживления имплантатов.
Учитывая фундаментальную роль биоэлектретного поля в
биологических процессах и приведенные выше примеры технического использования
электретов, очевидна важность познания устройства механизма генерации электрического
поля, который присущ электретному состоянию воды. Это возможно, основываясь на
молекулярной теории электретов. Такая теория наряду с ее научно-познавательной
ценностью может быть использована при проектировании более совершенных
медицинских технологий и технологий в различных областях практической
деятельности людей.
Излагаемая ниже теория электретного состояния водного
кластера разработана путем анализа свойств
и структуры воды с учетом представления о механизме обратимого
химико-физического процесса диссоциации ее молекул.
2. ЕСТЕСТВЕННОЕ ЭЛЕКТРЕТНОЕ
СОСТОЯНИЕ ВОДНЫХ КЛАСТЕРОВ
В настоящее время установлено, что вода состоит из
жидкого компонента, т.е. жидкой воды, и твердотельного компонента, т.е. водных
кластеров. [45] Согласно современным представлениям структура жидкой воды – это
трехмерная сеть, состоящая из молекул воды, соединенных водородными связями.
[46, 47] Эти связи непрерывно разрываются и восстанавливаются. Для разрыва
водородной связи необходим квант, содержащий количество энергии, равное 0,2 эВ
и более. В воде, имеющую комнатную температуру, такие кванты преимущественно
образуются вследствие флуктуаций тепловой и других видов энергии.
В жидкой воде молекулы расположены неупорядоченно и
соответственно неупорядоченно расположены векторы их электрических дипольных
моментов. Возможно следующие расположения этих векторов: векторы, направленные в одну сторону (<-- <--) (далее
однонаправленные векторы), векторы, направленные в противоположные стороны (<-- -->) , а также направленные навстречу друг другу (--> <--) (далее эти векторы будут
называться разнонаправленными
векторами). Описанное расположение векторов
дипольных моментов соседних молекул воды обусловлено тем, что в жидкой воде
доминируют межмолекулярные взаимодействия посредством водородных связей
(энергия взаимодействия 0,2 эВ) по отношению к диполь-дипольному взаимодействию
полям воды присуще электростатическое поле дипольной конфигурации. При
неупорядоченном расположении молекул воды и соответственно неупорядоченном
расположении векторов напряженности их электрических полей создается
интегральное электростатическое поле, напряженность которого имеет величины
порядка десятых долей – единиц В/м. В частности, поле такой напряженности
существует в зоне 25 мм от поверхности пленки воды, находящейся на поверхности
хлопчатобумажной ткани. [48]
В отличие от жидкой воды водным кластерам свойственно
упорядоченное расположение молекул и соответственно упорядоченное расположение их
электрических диполей. Об этом свидетельствуют сравнительно большие
электрические дипольные моменты кластеров.[49]
Благодаря этому водные кластеры совершают повороты в электростатическом
поле как целостное надмолекулярное образование, а векторы их электрических
полей устанавливаются параллельно вектору напряженности внешнего
электростатического поля. [50 ]
Водные кластеры – это ассоциации молекул воды, содержащие
от двух молекул до нескольких тысяч и более молекул. Максимальные размеры
кластеров достигают величины 0,1 мм. [51 ] При возрастании размера кластеров
возрастают величины их электрических дипольных моментов, механическая и
термическая устойчивость. [52] Известны
следующие типы кластеров: электрически нейтральные (Н2О)n, электрически положительные (+Н2О)n и электрически
отрицательные (Н2О)n. [53]. В частности, обнаружен электрически положительный стабильный водный кластер, состоящий из 21 молекулы воды и иона гидроксония. [54] Водным
кластерам присущи следующие свойства: удельная плотность 1,35 -- 1,40 г/см3,
удельное электрическое сопротивление 108 Ом . см, водородный
показатель (рН) в пределах 5 – 7,5, сравнительно большие электрические
дипольные моменты и жидкокристаллическое агрегатное состояние. [55, 56]
Из предыдущей главы следует, что молекулярной основой
электретного состояния различных по химическому составу твердотельных веществ
является вода, связанная в их структуре. Электретное состояние образуется в
твердотельном веществе. Поэтому из двух компонентов воды,
т.е. жидкой воды и твердотельных водных кластеров, ее электретное состояние обусловлено электретным
состоянием кластеров, т.е. водным кластерам присуще естественное электретное
состояние. Учитывая это и наноразмерность, водные кластеры фактически являются естественными наноэлектретами.
3.
ТЕОРИЯ
ОБРАЗОВАНИЯ И ЭЛЕКТРЕТНОГО СОСТОЯНИЯ КЛАСТЕРА ВОДЫ
Всем трем агрегатным состояниям воды свойственны процесс распада
ее молекул на свободные ионы водорода и гидроксила и одновременно текущий процесс
воссоздания из них электрически нейтральных молекул (электролитическая диссоциация воды). Распад
молекулы воды происходит в результате поглощения ею кванта, содержащего
количество энергии, достаточное для разрыва в ней ковалентной связи водорода и
гидроксила (5,0 эВ) и их ионизации (12,6 эВ). Квант, содержащий такое и
несколько большее количество энергии, далее будет называться большим квантом.
(17,6 эВ) Такие кванты образуются в воде в результате флуктуаций тепловой и
других видов энергии и поступают в нее из околоземного радиационного фона, а
также при действии на воду сильного электростатического поля и других
энергетических факторов.
При поглощении большого кванта молекула воды распадается
на катион водорода (Н+) и анион гидроксила (НО--), т.е.
преобразуется в электрический диполь. Особенность этого диполя заключается в том, что на его полюсах расположены гидратированный комплексный ион
гидроксония (Н3О+) и гидратированный комплексный ион гидроксила
(Н3О2--),
т.е. гидроксид-гидрат. Каждый из этих ионов
содержит элементарный
электрический заряд, а вместе они - это пара разноименных монополей, т.е. электрический диполь. ( Рис. 3 ) Благодаря гидратным оболочкам,
содержащим один либо два
мономолекулярных слоя молекул воды,
комплексные ионы находятся на расстоянии 0,6 –1,2 нм друг от друга. [59,60] Гидратные
оболочки этих ионов препятствуют их рекомбинации, а их
электростатическое притяжение и водородные связи между их гидратными
оболочками обусловливают прочность их надмолекулярной структуры. Электрический
диполь, которому присущи указанные свойства, далее будет называться ионным
диполем.
 |
<----------
Рисунок 3. Силовые линии и вектор напряженности поля ионного диполя. |
Образование ионного диполя происходит следующим образом. Энергия большого кванта, поглощенная молекулой
воды, преобразуется в ней в кинетическую энергию в виде трех силовых импульсов.
Один из них совершает перенос электрона от водорода к гидроксилу, т.е.
совершает акт ионизации, второй и третий смещают образовавшиеся катион водорода
(Н+) и анион гидроксила (НО--) в противоположные стороны
на расстояние, величина которого зависит от величины импульсов. Вследствие этого
ковалентная связь в молекуле воды разрывается и образуется свободный катион
водорода (Н+) и свободный анион гидроксила (НО--). Эти
ионы при взаимодействии с молекулами воды образуют ион-молекулярные комплексы
(комплексные ионы), имеющие следующий состав: +Н.Н20,
названный ионом гидроксония (Н3.0+), и --0Н.Н20,
который можно назвать гидроксид - гидратом (Н3.02--).
[61]
Время образования иона гидроксония составляет величину порядка 10—13с.
[62] Можно полагать, что времена образования ионного диполя, т.е. диссоциация
молекул воды, образование комплексных ионов и их гидратация имеют величины
такого же порядка.
С момента возникновения катиона водорода и аниона
гидроксила (гидроксид), а затем вследствие преобразования их в комплексные ионы
окружающие их молекулы воды подвергаются действию сильного электростатического
поля, так как каждый из этих ионов содержит элементарный электрический заряд и
соответственно количество электричества, равное 1,6.10—19Кл.
Такое количество электричества на расстоянии одного ангстрема (0,1 нм) создает
поле напряженностью 109В/м. [63] Величина напряженности этого поля
убывает обратно пропорционально 2-ой степени расстояния. Учитывая это, в зонах
шириной 10 нм вокруг иона гидроксония и гидроксид-гидрата существует поле
напряженностью порядка 107В/м и соответственно вода в этих зонах
находится в сильном электрическом поле. Благодаря этому она приобретает двойное
лучепреломление (эффект Керра). Это свидетельствует о том, что жидкая вода в
этих слоях перешла в жидкокристаллическое состояние. [64] Из этого следует, что в указанных зонах
вокруг иона гидроксония и гидроксид-гидрата образовались твердотельные ареалы
из молекул воды.
Как показано выше, ионные диполи образуются вследствие
диссоциации молекул воды. Диссоциация молекул воды – это самопроизвольный
обратимый химико-физический процесс, неограниченный во времени.[65] Из этого
следует, что благодаря этому процессу в воде непрерывно образуются катионы водорода и анионы гидроксила и
соответственно при их взаимодействии с молекулами воды создаются ионные диполи.
Они существуют до момента рекомбинации входящих в них катионов и анионов. Необходимое
условие для этого является их сближение на расстояние, меньше дебаевского
радиуса микрочастицы. Такое сближение совершают подвижные ионы, т.е. свободные
ионы. Переход связанного в гидратной оболочке иона гидроксония либо
гидроксид-гидрата в свободное состояние происходит при разрыве с нею водородных
связей. Для разрыва одной связи необходим квант, содержащий энергию, равную или
несколько большую 0,2 эВ. Квант, содержащий такое количество энергии, далее
будет называться малым квантом. При поглощении ионным диполем энергии, достаточной для разрыва водородных
связей катиона гидроксония либо аниона гидроксид-гидрита с молекулами их
гидратных оболочек, соответствующий ион становятся свободным. В частности, если
становится свободным катион гидроксония, то он притягивается к аниону
гидроксид-гидрата и происходит их рекомбинация: Н.Н20+
+ НО.Н2О-- = Н20 (Н+ +
НО-- ) и 2 Н20. В результате ионный диполь преобразуется
в три электрически нейтральные молекулы. При этом выделяется такое количество
энергии, которое необходимо для его образования, т.е. выделяется большой квант
энергии. Он поглощается одной из молекул гидратной оболочки ионного диполя. Это
влечет ее распад и образование свободных ионов водорода и гидроксила, которые
вовлекаются в процесс образования ионного диполя, как это описано выше.
Наряду с описанным процессом восстановления ионных
диполей продолжается процесс образования их в результате диссоциации молекул в
их гидратных оболочках при поглощении ими больших квантов, поступающих из внешней
среды, как это показано выше. Благодаря этим процессам непрерывно образуются ионные диполи и
соответственно они непрерывно генерируют
сильное электростатическое поле.
Как показано выше, благодаря этому полю вокруг диполя образуется твердотельный
ареал из молекул воды вследствие эффекта Керра. Этот ареал – это ассоциация
молекул воды, которая присуща ее структуре и известна
как водный кластер. Как показано во 2 главе, водный кластер является естественным наноэлектретом.
Учитывая направления векторов напряженности
электростатических полей наноэлектретов, можно выделить их следующие типы. Наноэлектрет
1 типа содержит один ионный диполь, наноэлектрет 2 типа содержит два ионных
диполя с однонаправленными векторами напряженности поля (< ----+ < ----+
), наноэлектреты 3 и 4 типов содержат ионные диполи с разнонаправленными
векторами поля (<-----+ +----->) и (+-----> <-----+).
Особенность наноэлектретов 3 и 4 типов
состоит в том они образуются, преодолевая отталкивание одноименных электрических
зарядов. Это происходит благодаря превалированию взаимного притяжения
поверхностей гидратных оболочек ионных диполей посредством водородных связей
над их взаимным отталкиванием благодаря одноименным зарядам, которые расположены
на полюсах ионных диполей. Ионные диполи находятся в середине гидратных
оболочек. Их взаимное как притяжение, так и отталкивание ослаблено как вследствие
уменьшения их силы обратно пропорционально 2-ой степени расстояния между
зарядами, а также вследствие большой диэлектрической проницаемости разделяющих
их мономолекулярных слоев воды.
Процесс образования наноэлетретов всех типов совершается
с такой же скоростью, которая присуща процессу диссоциации молекулам воды. При
этом образование того либо другого типа наноэлектрета зависит от взаимодействия
ионных диполей, которое в свою очередь зависит от температуры, действия как
внешних электрических полей, так и полей самих ионных диполей, околоземного
радиационного фона и других факторов, влияющих на взаимодействие ионных
диполей.
Наноэлектреты – это твердотельные надмолекулярные
образования, которые вследствие теплового движения смещаются в жидкой
компоненте воды и взаимодействуют посредством электростатического поля и
водородных связей. В результате этого образуется макроскопическая ассоциация
наноэлектретов, т.е. макроэлектрет, которому присуще сильное электростатическое
поле вследствие суперпозиции полей наноэлектретов при условии их упорядоченного
расположения. Макроэлектрет, т.е. определенный объем воды, находящейся в
электретном состоянии, прекращает генерацию поля вследствие разупорядочения
составляющих его наноэлектретов, т.е. перехода их в хаотическое состояние.
Такое состояние возникает при поглощении наноэлектретами энергии, достаточной
для разрыва связей между ними и их последующего теплового движения.
Из описанной теории следует, что ионам и комплексным
ионам принадлежит ведущая роль в образовании наноэлектретов и их ассоциаций в
воде, т.е. в образовании электретного состояния воды. Учитывая это,
разработанная теория может быть названа ионной теорией электретного состояния
воды.
4.
ЭЛЕКТРЕТНОЕ
СОСТОЯНИЕ ВОДЫ В АСПЕКТЕ ИОННОЙ ТЕОРИИ
Характерными свойствами электретного состояния воды (далее
макроэлектрет) является длительная (месяцы, годы) генерация сравнительно
сильного электростатического поля (далее электретное поле), а также зависимость величины и знака напряженности
поля от температуры. (1 глава)
Согласно ионной теории источником электретного поля воды,
т.е. макроэлектрета, являются упорядоченно расположенные в нем наноэлектреты (водные
кластеры), а именно суперпозиция полей упорядоченно расположенных
наноэлектретов. Водные кластеры непрерывно генерируют сильное
электростатическое поле. Это свойство им присуще благодаря тому, что в них
непрерывно образуются ионные диполи, которым свойственна непрерывная генерация сильного
электростатического поля вследствие их естественного электреного состояния. Из
этого следует, что макроэлектрет способен генерировать электретное поле
неограниченно во времени при упорядоченном расположении в нем наноэлектретов.
Макроэлектрет прекращает генерацию поля при переходе составляющих
его наноэлектретов в хаотическое состояние. Хаотическое расположение наноэлектретов
в макроэлекрете возникает, в частности, при медленном нагревании его до
температуры 107 – 142оС. ( См. графики a, b, c, d на рисунке 2)
Особенность температурной зависимости (далее
термозависимость) параметров электретного поля и ТСТ макроэлектрета, т.е.
связанной воде в лавсане (полиэтилентерефталат), отражают кривые на рисунке 2 а. Этот макроэлектрет
является моноэлектретом с отрицательным знаком поверхностного заряда и
изготовлен в сильном электростатическом поле. [66] При анализе термозависимости поля и ТСТ этого
макроэлектрета можно отметить следующее. На кривой, отражающей величины эффективной плотности и знак
поверхностного заряда, видно, что ее
значения в интервале температур 20 – 60оС равно 2.10-9Кл/см2.
(График 2 а) При дальнейшем возрастании температуры величина плотности
поверхностного заряда снижается, отрицательный знак заряда сменяется на положительный,
а затем величина плотности положительного поверхностного заряда достигает максимума
при температуре 105о ( 2
. 10--9Кл/см2). Дальнейшее
повышение температуры обусловливает снижение плотности положительного поверхностного
заряда и завершается его полным исчезновением при температуре 142оС.
Согласно теории описанная динамика плотности и знака
поверхностного заряда макроэлекрета зависит от соотношения типов составляющих
его наноэлектретов. В интервале температур 20 – 60о отрицательнный
знак поверхностного заряда образован суперпозицией полей наноэлектретов 3 типа (< ----+
+
---- >) Этому типу
наноэлектретов присуща генерация поля, напряженность которого имеет отрицательныйный
знак, и соответственно они создают отрицательный поверхностный заряд. Затем
вследствие изменения температуры наряду с генерацией наноэлектретов 3 типа
возникает и нарастает интенсивность генерации наноэлектретов 4 типа, которые
генерируют поле, имеющее положительный знак напряженности и соответственно создающее
положительный знак поверхностного заряда. При температуре 80о
интенсивность генерации наноэлектретов 3 и 4 типов уравновешивается, а при
дальнейшем повышении температуры генерация наноэлектретов 4 типа становится
доминирующей. Падение величины положительного поверхностного заряда после ее
максимума обусловлено начавшимся разрушением упорядоченного расположения
наноэлектретов 4 типа, т.е. перехода их в хаотическое состояние. Вследствие
этого плотность поверхностного заряда падает до нулевых значений.
В зависимости от знака поверхностного заряда различают
дипольные электреты и моноэлектреты. В соответствии с ионной теорией - это
дипольные и монополярные макроэлектреты. Дипольные макроэлекреты имеют
разноименные поверхностные заряды на противоположных сторонах, а монополярные --
один и тот же знак на всей поверхности. Согласно ионной теории дипольные
макроэлектреты состоят из наноэлектретов 1 и 2 типа, а монополярные – из
наноэлектретов 3 либо 4 типов. Это же относится к электрически нейтральным и электрически положительным и электрически отрицательным водным кластерам
Таким образом, характерные проявления электретного
состояния связанной воды и водных класстеров могут быть объяснены, исходя из положений ионной теории.
5.
БИОЭЛЕКТРЕТНОЕ
ПОЛЕ – ДВИЖУЩАЯ СИЛА КЛЕТОЧНОЙ БИОМЕХАНИКИ
Физическую основу жизнедеятельности клеток человека,
животных и растений составляют процессы целесообразного движения молекул,
надмолекулярных образований и субклеточных элементов (далее клеточная
биомеханика). Основной движущей силой этой механики является биоэлектретное
поле. Генерация этого поля сопряжена с
фосфорилированием – дефофорилированием белковых молекул. (См. 1 главу). Биоэлектретное
поле – это электростатическое поле, которому присуще пондермоторное действие,
т.е. силовое дистанционное действие на электрически заряженные тела в
соответствие с законом Кулона.
В живой клетке силовое
действие биоэлектретного поля доступно визуальному наблюдению с помощью
светового микроскопа. При таком наблюдение в цитоплазме отчетливо видно
движение митохондрий, транспортных
пузырьков, лизосом, эндосом и других
субклеточных элементов, которые с разными скоростями в различных
направлениях перемещаются по разным траекториям, причем они могут двигаться по
одной и той же траектории навстречу друг к другу [67,68]. При этом непрерывно движутся потоки цитозоля. [69] Остановка
внутриклеточного движения означает прекращение жизнедеятельности клетки. Так,
остановка вращения хлоропластов в растительной клетке свидетельствует о ее
гибели. [69]
Ведущая роль во
внутриклеточном движении принадлежит цитоскелету. Цитоскелет эукариотической
клетки состоит из белковой трехмерной сети, погруженной в цитозоль, и белковой
пластины, расположенной под плазматической мембраной и называемой кортексом
клетки. [70] Элементы цитоскелета образованы из линейных надмолекулярных
структур: актиновых филаментов (АФ) диаметром 5-7 нм, промежуточных филаментов
(ПФ) диаметром 8-12 нм и микротрубочек (МТ) диаметром 22-24 нм. Мономеры этих
структур – это соответственно макромолекулы белков актина, кератина и тубулина.
Боковые поверхности АФ, ПФ и МТ соединены между собой белковыми трабекулами.
Благодаря этому они образуют трехмерную сеть, соединенную с кортексом клетки.
Как показано в 1-ой главе, при фосфорилировании полипептидной цепи белковые
молекулы, в том числе и белковые молекулы цитоскелета, генерируют сильное электрическое
поле (биоэлектретное поле), которому присуще силовое (пондермоторное) действие.
Пондермоторное
действие биоэлектретного поля фрагмента цитоскелета – фибриллы, состоящей
из пучка АФ, отражено на рисунке 4. На рисунке показано движение белковой
микрочастицы (микросомы) в поле фибриллы, которые находятся в цитоплазме,
выдавленной из клетки водоросли Nitella flexlis. [71] На рисунке видно, что
микросома, совершая броуновское движение, приближается к фибрилле и на
расстоянии нескольких микрометров от нее прекращает броуновское движение, затем
сближается с фибриллой и скользит вдоль нее. Покинув сферу действия поля
фибриллы, микросома возобновляет броуновское движение. Следует отметить, что
при этом фибрилла движется в противоположном направлении по отношению к
движению микросомы.
Характер описанного
движения микросомы вблизи фибриллы, бесспорно, свидетельствует о наличии их
дистанционном силовом взаимодействии. При этом подавление броуновского движения
микросомы на некотором расстоянии от фибриллы и возобновление его после
удаления микросомы от фибриллы свидетельствует о силовом стабилизирующем
действии биоэлектретного поля на микрочастицы в цитоплазме.
Поле пучка АФ
способно выпячивать либо втягивать плазматическую мембрану клетки при перпендикулярном
положении оси пучка к ее плоскости [72]. При повороте оси пучка параллельно
плоскости мембраны действие его поля на мембрану прекращается. Биоэлектретному
полю присуща дипольная конфигурация. При такой конфигурации электростатического
поля величина его напряженность в продольном направлении значительно больше,
чем в поперечном. Вследствие этого при повороте пучка АФ боковой стороной к
мембране напряженность его поля меньше и недостаточна для деформации мембраны.
Фрагмент кортекса
нейтрофила, состоящий из АФ, движется по поверхности твердой питательной среды
в течение дня и более, пока не распадется на отдельные филаменты [73]. Это
движение обусловлено взаимодействием биоэлектретного поля фрагмента с
поверхностью среды.
Действие биоэлектретного
поля конструкций из АФ проявляется на значительном расстоянии в масштабе
клетки. Так, на внутренней поверхности кортекса клетки водоросли мужоции вблизи
края ее единственного хлоропласта образуется конструкция из АФ в виде бугорков,
силовое дистанционное действие которых поворачивает хлоропласт на 90о,
т.е. его край смещается примерно на 45 мкм от бугорков, если учесть диаметр
клетки, равный 60 мкм [74].
Наряду с элементами
цитоскелета, состоящими из АФ, во внутриклеточном движении участвуют МТ,
которые генерируют биоэлектретное поле благодаря гидролизу ГТФ подобно тому,
как это описано выше при гидролизе АТФ. Благодаря этому полю фрагменты МТ
длиной 1 мкм и менее в течение нескольких часов движутся прямолинейно по
поверхности стекла в жидкой питательной среде, содержащей некоторые ферменты и
ГТФ [75].
Прямолинейного
движения фрагментов МТ можно объяснить наличием у биоэлектретного поле МТ
внутреннего и внешнего компонентов. Внутренний компонент поля находится во
внутренней капиллярной полости МТ и в результате взаимодействия его с
электрическими диполями молекул воды происходит их движение вдоль продольной
составляющей напряжения поля, т.е. происходит явление известное как
электроосмос. В результате этого из фрагмента МТ вытекает струя воды и
создается реактивная тяга, благодаря которой прямолинейно перемещающая фрагмент
МТ.
Очевидно, что
внешний компонент биоэлектретного поля МТ способен перемещать вдоль продольной
составляющей напряжения поля микрочастицы, как это свойственно продольной составляющей
напряженности биоэлектретного поля фибриллы (см. рис.4). Действительно, по
поверхности МТ перемещаются моторные белки (кинезин и дионин) благодаря взаимодействию
их поля с полем МТ [76].
Биоэлектретное поле
элементов цитоскелета выходит за пределы клетки. Об этом свидетельствует
процесс разъединения контактирующих клеток, который совершается следующим
образом. [77] Вокруг зоны контакта на поверхности клеток образуются микрошипы и
ламеллоподии, т.е. выпячивания плазматической мембраны, внутри которых
располагаются пучки АФ с осью, направленной перпендикулярно поверхности клетки.
Как показано выше, при таком расположении пучков АФ напряженность их поля
максимальна в продольном направлении. Эти поля выходят за пределы клеток и в
результате их взаимодействия клетки отталкиваются друг от друга и
разъединяются.
Биоэлектретное поле
одной клетки способно оказывать влияние на расположение субклеточных элементов
в другой. Так, биоэлектретное поле цитоскелета одной клетки ориентирует
цитоскелет в другой клетке, находящейся от нее на расстоянии до 1 мм [].
Силовое действие
присущее биоэлектретному полю, существующему в цитоплазме, описали Камия и Аббе
еще в середине минувшего столетия [78]. При одновременно измерении
гидравлического давления и ПТ в цитоплазме миксомицета, они обнаружили, что
вначале изменяется давление, а затем ПТ (рис. 5).
Такое соотношение
времени наступления изменения давления и ПТ обусловлено тем, что как изменение
давления, так и изменения ПТ обусловлены изменением напряженности
биоэлектретного поля в цитоплазме. При этом изменения давления происходят
благодаря электроосмосу молекул воды в капиллярных пространствах цитоплазмы, а
изменение ПТ - благодаря смещению ионов в цитоплазме вдоль градиента напряжения
биоэлектретного поля. Движение молекул воды вследствие электроосмоса происходит
относительно быстрее, чем движение ионов в цитоплазме, которое происходит
относительно медленнее вследствие ее электрического сопротивления.
Если посредством
центрифугирования сместить к внутренней поверхности кортекса живой клетки ядро,
эндоплазматический ретикулум, митохондрии, лизосомы и другие субклеточные
элементы, то тотчас после прекращения центрифугирования они перемещаются на
свои прежние места во внутриклеточном пространстве [79].
Для такого
перемещения необходимо действие силы, направленной по определенным траекториям,
ведущим смещенные элементы к их прежним местам расположения. Такой силой могут
быть биоэлектретные поля тех элементов клетки, которые сохраняют свое
расположение во время центрифугирования. К таким элементам относятся кортекс и
цитоскелет. Они создают во внутриклеточном пространстве биоэлектретное поле,
векторы напряженности которого остаются неизменными во время центрифугирования.
После прекращения центрифугирования смещенные субклеточные элементы движутся
вдоль этих векторов и останавливаются в местах их стационарного расположения.
Следовательно, во внутриклеточном пространстве существует определенная
структура (архитектоника) напряженностей биоэлектретных полей, благодаря
которой подвижные субклеточные элементы занимают стационарное расположение и
совершают направленные движения.
Наряду с
поступательным движением субклеточные элементы совершают в цитоплазме
вращательные движения, а сама цитоплазма в клетках некоторых водорослей
движется вдоль плазматической мембраны, периодически изменяя направление
движения.[69] Замкнутая в кольцо фибрилла вращается в цитоплазме водоросли
Nitеlla flexlis. [80] В клетках листьев растений вращаются хлоропласты. [70]
В электростатическом
поле вращаются диэлектрические шары и эллипсоиды. Это явление известно как
эффект Герца-Квинке-Сумото. Возможно, что вращение в цитоплазме замкнутых в
кольцо фибрилл и хлоропластов является аналогом этого эффекта.
Результаты анализа
описанных исследований клеточной биомеханики позволяют заключить, что
направленное перемещение молекул белков и их надмолекулярных образований
происходит вследствие направленного
действия силового дистанционного
фактора. В настоящее время в клетке известен лишь один такой фактор – это
пондермоторное действие, присущее электростатическому полю.
Физической
основой механизма генерации электростатического поля в живой клетке согласно
ионной теории электретного состояния воды
является обратимый процесс диссоциации
молекул воды гидратных оболочек молекул белков и их надмолекулярных
образований. ( См. 3 главу) Благодаря
этому процессу в гидратных оболочках непрерывно образуются ионные диполи,
создающие электростатическое поле. При
суперпозиции их полей образуется сильное интегральное поле, пондермоторное
действие которого является движущей
силой клеточной биомеханики. Напряженность этого поля, измеренная
нановольтметром, введенным в цитоплазму живой клетки, достигает значений
порядка 10
7В/м. [81]
Следовательно, движущей силой клеточной биомеханики является
электростатическое поле, создаваемое благодаря естественному электретному
состоянию гидратных оболочек белковых молекул.
В становлении центральной идеи ионной теории электретного
состояния воды важное содействие оказал Анатолий Иосифович Кулак и ценную
помощь в работе над теорией мне систематически оказывала моя дочь Анна
Кулина-Пейт, которым автор выражает глубокую благодарность.
Е. Кулин
Кулин Евгений Трофимович
Электронный адрес: e.t.kulin@gmail.com
9 сентября 2015 года США,
Хейвард
