Таким образом, удаление ничтожных количеств дейтерия из реакционной смеси значительно повышает скорость каталитической реакции, так как дейтерий способен вытеснять протий из каких-то активных зон катализатора. Это особенно важно для биохимических процессов, идущих, как известно, почти всегда с участием катализаторов (ферментов). Взаимосвязь между концентрацией дейтерия и скоростью биохимических реакций заслуживает самого тщательного исследования, однако до сих пор, судя по литературе, эта взаимосвязь никем не изучалась.
Наиболее важное соединение дейтерия - тяжелая вода D2О, аналог обычной воды Н2О. Физические свойства той и другой воды весьма различны. Плотность тяжелой воды на 10 % больше плотности легкой. Максимальную плотность тяжелая вода имеет при 11,23 ± 0,02 °С. Ее удельный вес при 25 °С равен 1,10775 ± 0,00016. Вязкость тяжелой воды на 20 % превышает вязкость обычной воды. С повышением температуры это различие сглаживается: так, отношение вязкости тяжелой воды к вязкости обычной при 15 °С равно 1,258, при 20 °С - 1,247, 30 °С - 1,228, 40 °С - 1,212 и 50 °С - 1,199. Поверхностное натяжение тяжелой воды равно 71,93 дин·см и лишь немного меньше поверхностного натяжения обычной воды, равного 71,97 дин·см.
В спектрах тяжелой воды имеется широкая полоса, подобная полосе ОН, наблюдаемой в обычной воде. Однако в случае D2О полоса смещена в область более низких частот из-за большей массы дейтерия. Для максимума полосы OН, частота v=2535 см-1. Для 3%-ного раствора D2O в воде характерна более узкая полоса с максимумом при v= 2560 см-1; 3 %-ный раствор D2О в ацетоне имеет максимум при v=2600 см-1. По-видимому, важную роль в явлении возмущения группы OD (или ОН) играет резонансный эффект. Таким образом, с точки зрения резонансного взаимодействия очень важно, чем окружены молекулы D2О - молекулами легкой или тяжелой воды.
Тяжелая вода в сравнении с обычной растворяется в органических жидкостях хуже [26]. Если ее растворимость принять за единицу, то растворимость обычной воды составляет 1,03 - 1,43. Кроме того, тяжелая вода и худший растворитель. Так, если в 1 л обычной воды при 25 °С растворяется 4,34 моля NaBr, то в тяжелой всего 3,21 моля.
Температура кипения тяжелой воды при нормальном давлении равна 101,41 °С, т. е. на 1,41 °С выше, чем у обычной воды. И теплота испарения тяжелой воды выше: при 3,82 °С она равна 11 109 кал/моль (10 702 кал/моль для обычной воды); при 100 °С - 9927 (D2О) и 9719 (Н2О) кал/моль. Таким образом, с повышением температуры разница сглаживается. Отношение теплоты испарения тяжелой и легкой воды: 3,8 °С - 1,038; 10 °С - 1,034; 25 °С - 1,031; 40 °С - 1,028; 100 °С - 1,021.
Структура кристаллов тяжелой воды не отличается от структуры кристаллов обычного льда. Основной параметр a - ячейки кристалла тяжелой воды примерно лишь на 0,1% меньше параметра кристалла обычного льда. Температура плавления тяжелой воды равна 3,79 °С, а теплота плавления - 1515 ± 10 кал/моль, т. е. на 5,5 % больше, чем для обычной воды (1436 кал/моль). Теплота сублимации в тройной точке для тяжелой воды составляет 12 631 ± 20, а для обычной воды - 12 170 кал/моль, отношение теплоты сублимации равно 1,04. Теплоемкость тяжелой воды при 0 °С равна 20,13 по сравнению с 18,00 кал/моль для обычной воды (отношение теплоемкости 1,12). Разница значений теплоемкости с повышением температуры становится не столь существенной: при 20 °С отношение равно 1,006, при 40 °С - 1,004 и при 60 °С -1,002.
Сведения о дипольном моменте воды разноречивы, так как этот показатель трудно замерить и, кроме того, обычно его определяют разными методами. Так, для Н2О значение дипольного момента колеблется в пределах 1,76 - 1,86, а для тяжелой - 1,78 - 1,87. Однако во всех случаях дипольный момент для D2О, выше, чем для Н2О приблизительно на 0,5 - 1,1 %.
В сравнении с обычной водой диэлектрическая постоянная тяжелой во-ды немного меньше. Абсолютное значение при 25° С для D2О равно 78,26, для Н2О - 78,54; отношение этих величин равно 0,9963. Тяжелая вода ионизирована слабее; константа диссоциации для Н2О равна 10-14 , для D2О - 1,95·10-15. Обычные водородные ионы гораздо подвижнее ионов дейтерия. Так, если для Н+ и ОН- подвижность составляет 349,8 и 197,6, то для иона D+ - 250,1 и для OD- - 119,0. Подвижность ионов К+ и Na+ в обычной воде в 1,22 - 1,26 раза больше, чем в D2О.
Из краткого сравнительного обзора физико-химических свойств дейтерия и протия отчетливо видно, что эти «близнецы» всегда в той или иной мере отличны друг от друга. И это определяет различное поведение их соединений. Изотопный эффект особенно ярко проявляется в живых структурах, так как резко отличаются именно те свойства изотопов, которые наиболее важны для живых структур [27]. Как мы говорили, водородные «близнецы» не похожи друг на друга в гораздо большей степени, чем «близнецы» всех остальных элементов. Среди изотопов такое различие в поведении «близнецов» беспрецедентно.
Это своеобразие того и другого водорода используется в науке и технике. Атомы дейтерия, например, исключительно удобны в качестве меченых. С их помощью с большим успехом исследовались сложные химические реакции, в частности процессы фотосинтеза. В растение (или его препарат) вводят какое-либо из соединений, входящих в состав растения. Предварительно в соединении протий замещают дейтерием. Растение подвергают действию света, а затем составляют баланс по дейтерию, т. е. наблюдают его перемещение. Дейтерий в качестве метки удобен тем, что он не радиоактивен. Однако, поскольку поведение его не вполне аналогично поведению протия, необходима поправка на индивидуальность дейтерия. Эти коррективы вносят исследования с применением других меченых атомов, например радиоактивного углерода 14С или радиоактивного азота 16N.
Дейтерий наряду с тритием (еще более тяжелым изотопом водорода) служит исходным сырьем для реакции термоядерного синтеза. После разработки технологического оформления этой ядерной реакции электростанции, работающие на дейтерии, станут основным источником энергии для человечества. Когда запасы нефти, газа, урана будут уже на грани полного исчерпания, все надежды поневоле станут возлагаться на дейтерий.
В виде тяжелой воды дейтерий применяется теперь как замедлитель нейтронов в атомных реакторах, работающих на тепловых нейтронах [22]. Некоторая инертность его химических соединений по сравнению с таковыми же соединениями протия тоже нашла применение в технике. Обычная перекись водорода, как известно, используется в качестве окислителя, но представляет неудобства из-за своей взрывоопасности. Замена ее на перекись дейтерия делает такой окислитель безопасным.
Протий в настоящее время применяется в гораздо более скромных масштабах - главным образом для приготовления протиевой воды. Последняя производится в небольших количествах как стандартный образец для хи-мических лабораторий, а также для экспериментов в биологических лабораториях при изучении влияния дейтерия на жизнедеятельность организмов. Не так давно протиевая вода нашла применение в биохимических реакторах где она оказывает стимулирующее влияние на выход биомассы.
Что же касается живой воды, то пока что она
используется только в экспериментах, проводимых в клиниках нашей страны и за
рубежом, а также в сельском хозяйстве, где ее опробывают в качестве стимулятора
развития растений и животных.
1.5 Влияние воды с
измененным изотопным составом на биологические объекты
.5.1 Влияние тяжелой воды на биологические объекты
Одним из первых этим вопросом занялся американский ученый Дж. Льюис. Он нашел, что в тяжелой воде высокой концентрации размножение микробов сильно задерживается: помутнение питательного бульона наблюдается лишь через две недели (контрольная пробирка мутнела за несколько часов) [28].
Расщепление сахара дрожжами идет в тяжелой воде в 9 раз медленнее. Некоторые простейшие и коловратки погибают в тяжелой воде.
Действие энзимов заметно задерживается. М. Ричардс обнаружил, что дрожжи в тяжелой воде растут гораздо медленнее. Х. Паксу установил, что скорость выделения углекислого газа при брожении альфа-глюкозы под влиянием дрожжей в чистой D2О в 9 раз меньше, чем в чистой Н2О, а в 60 % D2О в 1,6 раза меньше. Зимазный комплекс необратимо дезактивируется [29].
Семена табака не прорастают в тяжелой воде. В 50%-ной D2О они прорастают вдвое медленнее по сравнению с обычной водой. Если семена из тяжелой воды перенести в обычную, то часть их через неделю начинает прорастать, хотя и не вполне нормально.
Плоские черви вида планария макулета за 1-2 часа пребывания в D2О теряли всякие признаки жизни. После того как их переносили в обычную воду, только часть из них через несколько часов начинали приходить в норму, остальные погибали. Для головастиков и мальков 40-часовое пребывание в 92 и даже 30 % D2О оказывалось смертельным. Интересно отметить то обстоятельство, что в то время как в большой концентрации тяжелая вода смертельна для рыб, головастиков и червей, инфузория парамеция жила в этих условиях 24 часа. Во время этих исследований было также замечено, что белые мыши, которых поили тяжелой водой, обнаруживали крайнее беспокойство, выражающее острую жажду.
Когда развивается какое-нибудь новое научное направление, то обычно в первую очередь замечаются и исследуются прямолинейные зависимости, как, например, в данном случае: тяжелая вода - яд. Но со временем накапливаются факты, не укладывающиеся в первоначальные примитивные схемы, выясняется, что есть какие-то противоречия. На них - противоречиях - должно быть сосредоточено главное внимание. Они либо открывают глаза на допущенные ранее ошибки, на невольное преувеличение значения отдельных факторов, либо проясняют более глубокую и тонкую структуру явлений и переводят этим самым исследование на более высокую ступень достоверности и убедительности. Так было и при изучении влияния дейтерия на жизнедеятельность организмов, сопровождавшемся борьбой противоположных мнений.
Так, например, с утверждением, что дейтерий - яд, был не согласен крупный биохимик Р. Бэрнс. Поместив спирогиру в воду с повышенным содержанием дейтерия, он наблюдал то же замедленное движение клеток и прекращение их деления, но сделал из этого совершенно противоположный вывод. По его мнению, такое поведение клеток говорит не о старении организмов, а об увеличении продолжительности жизни [30].
Некоторые авторы утверждают, что тяжелая вода не ядовита. Для доказательства такой точки зрения был проведен, в общем-то, очень интересный опыт. Жир, в котором часть протия была замещена дейтерием, скармливался мышам. Оказалось, что дейтерированный жир быстро попадает в запас, в жировое депо. Одновременно из депо уходит обычный, протиевый жир. За три дня, таким образом, обновляется 2/3 жирового запаса депо. Такой процесс вполне соответствует пониженной химической активности дейтериевых соединений. Обратный обмен меченного дейтерием жира из запаса на обычный жир, поступающий с пищей, проходил с такой же скоростью. Но подопытные мыши остались живы, здоровы и активны. Жаль, что эти опыты не были продолжены на срок более трех суток. Длительные опыты, наверное, рассеяли бы заблуждение о безвредности дейтерия. Да что говорить о безвредности, если К. Уэпер в своих экспериментах нашел, что тяжелая вода в небольших количествах определенно стимулирует рост и развитие плесневого грибка аспергиллус. Н. А. Шишаков добавляет, что так же действует тяжелая вода и на спирогиру. Г. Махт и Р. Дэвис считают, что вода содержащая 0,2 % D2O, не отличается по физиологическому действию от обыкновенной воды. Хотя некоторые простейшие и коловратки погибают в D2O, но евглена и целый ряд бактерий при возвращении в обычную воду оживают вновь [31]. На клетки D2O оказывает очень медленное действие.
Из последних работ, «защищающих» дейтерий, относится еще исследование Стрелера. Он поил плодовых мушек дрозофил 20 %-ной D2O. Срок жизни мушек опытной партии сократился вдвое по сравнению со сроком жизни контрольной партии, которую поили обычной водой. Стрелер счел преждевременное старение мушек за активизацию частоты смены поколений, т. е. за своего рода омоложение.
Итак, эксперименты показывают, что организмы
относятся к тяжелой воде по-разному: одни (большинство) в ней погибают,
жизненные процессы других (меньшинства) тормозятся, третьи, наоборот, в тяжелой
воде процветают.
1.5.2 Влияние лёгкой воды на биологические объекты
Легкая вода - продукт современных технологий. Воду, в которой содержание тяжелых изотопов водорода снижено по отношению к природному уровню, называют легкой водой. Как показали многочисленные опыты и экспертизы, такая вода оказывает удивительно благотворное влияние на организм человека. А в США легкая вода официально рекомендована как профилактическое противораковое средство.
Вода является наиболее важной составляющей жизнедеятельности человека, организм которого на 65% состоит из воды. В одном литре природной воды, которую мы ежедневно употребляем, помимо химических примесей содержится около 2,33 г «тяжелой» воды, образованной за счет соединения тяжелых изотопов водорода (дейтерия, трития) и кислорода. Попадая в организм, тяжелые изотопы загрязняют клеточные мембраны, ухудшая водообмен, что является, по мнению ученых, причиной сбоев различных систем организма, вплоть до возникновения онкологических заболеваний.
Чем ниже природный уровень тяжелых изотопов в воде, тем больше на этой территории долгожителей и меньше заболеваний раком. В отличие от тяжелой воды, которая в концентрированном виде является ядом для всего живого, легкая вода (со сниженным содержанием тяжелых изотопов) обладает ярко выраженными лечебными качествами. Основное действие, оказываемое легкой питьевой водой на человеческий организм, - постепенное снижение содержания дейтерия в жидкостях тела, общее повышение иммунитета и улучшение работы важнейших систем организма. С помощью легкой воды можно предотвратить многие болезни, даже те, которые не поддаются лечению. И это подтверждают множество примеров из жизни.
Очистка природной воды от тяжелых вод осуществляется по весьма сложным, энергоемким и дорогостоящим технологиям, объем производства ограничен, а потому такой продукт не так доступен. По этой причине до сих пор легкая вода не получила широкого распространения. В настоящее время легкая вода в небольших объемах производится за рубежом и известна как DDW (deuterium depleted water) - частично бездейтеривая вода - и успешно используется в комплексном лечении опухолевых заболеваний в течение 10 лет.
В России легкая вода производится под торговой маркой «Лангвей». В ней по отношению к природной содержание тяжеловодородной воды снижено в 1,5-2,5 раза, а тяжелокислородной - на 15%. Легкая вода «Лангвей» проходила множество лабораторных и клинических испытаний, использовалась в лечении больных раком в ведущих медицинских и научных организациях России.
Сегодня доказано, что лёгкая вода способствует:
нормализации обмена веществ, выведению шлаков, токсинов и радионуклидов из организма;
лечению и профилактике онкологических заболеваний, сахарного диабета, болезней почек и печени;
восстановлению организма при стрессах и переутомлении;
нормализует артериальное давление, липидный и углеводный обмен;
обладает мощным косметическим эффектом;
замедляет процессы старения и увеличивает продолжительность жизни.
Результаты клинических испытаний и исследования биологической активности воды с пониженным содержанием тяжёлого изотопа водорода, полученные российскими и зарубежными учёными [31], показывают, что такая вода обладает ярко выраженным противораковым и антиметастазным действием и может с успехом использоваться для профилактики и лечения онкологических и других заболеваний. Кроме того, длительное потребление лёгкой воды благотворно влияет на жизнедеятельность организма в целом, вызывает эффект омоложения организма.
В 60-х годах XX века томские ученые Б. Н. Родимов и И. Н. Торопцев опубликовали первые работы об удивительных свойствах воды с пониженным, по отношению к природному, содержанием дейтерия - тяжелого изотопа водорода. Было показано, что такая вода, полученная из снега и реликтового льда, оказывает благоприятное воздействие на растения, животных и человека [31].
В семидесятые годы советским ученым В. М. Мухачевым [32] было впервые высказано предположение о том, что лёгкая вода может помочь в борьбе с одной из смертельных опасностей нашего времени - онкологическими заболеваниями. Но в тот период эта смелая гипотеза не вызвала особого интереса в научном мире.