Олег Александрович Сизоненко
Фуллерен, вода, долголетие. Рекордное долголетие с самой красивой молекулой нашей Вселенной
© Олег Сизоненко, 2020
ISBN 978-5-4498-4704-1
Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero
Предисловие
Темпы развития науки и технологий сейчас колоссальны, стремительно меняются не только наши знания, но и мир вокруг нас. Трудно себе представить, как чувствовал бы себя человек недалёкого прошлого в нашем сегодня. Вероятно его нервная, эндокринная и иммунная системы – эти форпосты нашего здоровья, испытывали бы чрезвычайные нагрузки на грани выживания. Сегодняшние темпы прогресса ставят отнюдь не праздный и в тоже время парадоксальный вопрос: Хватит ли у человечества запаса прочности, чтобы выжить и не деградировать в будущем?
Поэтому любая попытка остановится, оценить полученные научные данные с точки зрения пользы или опасности, сопоставить с прошлыми знаниями, чрезвычайно необходимы. Автор, представленной на ваш суд книги, излагает серьёзные научные проблемы, связанные с миром нанотехнологий. В увлекательной научно-популярной форме в книге представлена объёмная информация об открытии, происхождении, свойствах и участии в эволюционных процессах удивительной молекулы фуллерена. Наверное, не является секретом, что для многих из нас даже название «фуллерен» будет новостью, не говоря уже о «личностных» особенностях этой аллотропной формы углерода.
Мне как биологу, далеко не безразлично увеличение количества наноразмерных соединений в окружающей нас среде. Современная наука пока не располагает достаточными сведениями о биобезопасности этих новых элементов нашей экологии. В этой связи, выдвигаемый автором тезис о фуллеренах, как о естественном факторе среды обитания, говорит в пользу использования данного вещества и выгодно отличает фуллерены от других искусственно созданных наноразмерных частиц. А представленные автором сведения о наличии у гидратированного фуллерена адаптогенных свойств, даёт надежду, что фуллерен будет союзником человека при выживании в нашем быстро меняющемся мире.
Отдельно следует коснуться стиля изложения книги. Автору, на мой взгляд, удалось в живой, увлечённой и достоверной форме представить материалы о молекулах углерода. Читая данную монографию, я вспомнил книгу канадского писателя Фарли Моуэта «Не кричи: „Волки!“». Эти два произведения объединяет друг с другом любовь к изучаемому предмету и искренность в желании докопаться до истины. Авторы идут к своей цели, не боясь расхождений в оценках по данной проблеме с точкой зрения научной общественности.
Должен признаться, что я не вполне разделяю взгляды автора по вопросам о происхождении жизни на Земле. Однако, мне кажется, что изучение биологических свойств фуллеренов может быть тем инструментом, который поможет ответить на основной фундаментальный вопрос биологии: В чём различие живой и неживой материи?
В заключение мне хотелось бы вспомнить известную историю открытия закона всемирного тяготения. Когда падающее яблоко ударило по голове сэра Исаака Ньютона, он испытал некоторую досаду, однако в дальнейшем это послужило к озарению и открытию им фундаментального закона физики. Искренне надеюсь, что данная книга послужит тем «яблоком», которое поможет преодолеть некоторый скепсис и недоверие к фуллеренам в существующем научном сообществе. Также я думаю, что представленный обширный научный материал может послужить толчком для развития исследований в области безопасных нанотехнологий.
Виктор Чижевский,
Институт проблем криобиологии и криомедицины НАНУ, заведующий лабораторией, старший научный сотрудник, chizhevskiy@ukr.net.
Секрет родниковой воды
В легендах и мифах народов мира есть упоминания о воде, которая дарит здоровье и долголетие. Вблизи родников с лечебной водой построены SPA-курорты и санатории. Врач, назначая лечение, обязательно предупреждает о том, что воду нужно пить в бювете. В течение часа вода теряет свои лечебные свойства. Почему это происходит и как их сохранить и усилить, стало понятно благодаря последним научным открытиям.
Вода отличается от других жидкостей. Таких отличий у воды более шестидесяти. Эти отличия называют аномальными свойства воды, и они бесценны для жизни на Земле. Именно они определяют климат, океанские течения, высоту деревьев, замерзание водоёмов, температуру тела человека и многое, что формирует нас и облик нашей планеты.
Долгое время вода считалась набором не упорядоченных молекул. Воду сравнивали с дискотекой, где «пляшут» молекулы воды. Чем выше температура воды, тем более энергичными становятся танцы. Исследования, проведённые учёными США, Японии и Швеции показали, что эти представления ошибочны. Облучение чистой воды рентгеновским излучением на синхротронах выявили в воде две структуры: упорядоченную и неупорядоченную1. Упорядоченная структура присутствует даже в очень горячей воде, вплоть до температуры кипения.
Объясняя полученные результаты, один из авторов данной работы, профессор Стэндфордского университета Андерс Нильсон, сравнил воду с рестораном, в котором часть посетителей танцует, а часть отдыхает за столиками, образуя упорядоченные структуры. Это позволило объяснить аномальные свойства и понять механизм образования лечебной воды.
Упорядоченные структуры воды называют сферическими водными кластерами2. Их образуют сотни молекул воды. Через миллионные доли секунды они распадаются и образуются вновь, подобно мерцающим огонькам. В очень чистой воде такие кластеры не стабильны. Могут ли примеси в воде стабилизировать их, сохраняя их природные структуры?
Обычно твёрдые примеси в воде имеют неправильную форму. Они не могут стабилизировать сферические кластеры, не нарушив их форму. Это могут сделать пузырьки газов, растворённых в воде. Компьютерное моделирование водного кластера показывает, что в его центре есть полость диаметром менее одного нанометра. Если в воде есть пузырьки с таким диаметром, они могут стабилизировать природные кластеры воды. Такие кластеры не будут распадаться, вода станет лечебной.
В закрытой бутылке с газированной водой пузырьки не видны. При открытии бутылки пузырьки увеличиваются и лопаются. Похожие процессы идут в родниковой воде при её выходе из земных недр. Именно поэтому на SPA-курортах советуют пить воду в бювете. Если бы вместо пузырьков газа, в центре водного кластера были молекулы, вода сохраняла бы целебные свойства очень долго.
Фуллерены
Какие это должны быть молекулы? По форме они должны быть близки к сфере с диаметром около одного нанометра. Для того чтобы «вписаться» в водный кластер – повторять его икосаэдрическую структуру. Икосаэдр – один из пяти правильных многогранников. Древнегреческий философ Платон сопоставлял их с природными стихиями. Примечательно, что икосаэдр соответствовал стихии Вода.
Обтекаемый икосаэдр можно ещё больше приблизить к сфере. Такая фигура называется усечённый икосаэдр. И всем она хорошо знакома. Потому, что напоминает покрышку футбольного мяча из 12 пятиугольников и 20 шестиугольников. Похожие молекулы были открыты в 1985 году.
Английский химик Гарольд Крото изучал далёкий Космос. Его интересовал состав газа вблизи больших углеродных звёзд. Эти звезды называют красными гигантами, они в сотни раз больше нашего Солнца. Для проверки своих предположений ему нужно было провести эксперимент, моделирующий космические условия. От своего гостя Роберта Керла, он узнал о подходящем приборе. В лаборатории Ричарда Смолли, в университете Райса, была возможность испарить твёрдое вещество и изучить структуры, которые образуются при охлаждении газа. Смолли и Керл испаряли тугоплавкие металлы. Приехавший к ним Крото, предложил испарить графит.
При его испарении были обнаружены молекулы, которые состояли из 60 и 70 атомов углерода. И редакция журнала Nature получила статью с заголовком «Бакминстерфуллерен»3. Так за десять дней сентября 1985 года были открыты фуллерен С60, похожий на футбольный мяч и фуллерен С70, похожий на мяч для регби. Футбольный мяч меньше нашей планеты во столько раз, во сколько раз фуллерен С60 меньше футбольного мяча.
Сферические купола Бакминстера Фуллера, натолкнули на мысль о форме новых образований. Новые молекулы назвали в честь человека, который решил превратить свою жизнь в эксперимент. С целью ответа на вопрос: «Что может один-единственный человек сделать на благо мира и всего человечества?». Он надеялся, что его инновационные проекты позволят человечеству выжить в будущем и рассматривал нашу планету как космический корабль с ограниченными ресурсами.
Один из его проектов назывался «Девятое небо». Он предложил строить сферические города, диаметром несколько километров. Если воздух в такой сфере будет на один градус теплее окружающего пространства, она сможет взлететь. Такие города, по желанию своих жителей, могут мигрировать, подобно перелётным птицам, или «парить на привязи» в любимом месте.
Самая красивая молекула Вселенной
В 1996 году Крото, Керл и Смолли получили Нобелевскую премию по химии. В Нобелевской лекции4 Крото отметил: «История открытия С60 не может быть правильно оценена без учёта красоты формы этой молекулы, которая обусловлена её невероятной симметрией…». В дальнейшем были открыты молекулы углерода, образованные различным количеством атомов углерода. Самой распространённой является молекула с 60 атомами углерода. Её полное имя – бакминстерфуллерен, но в тексте ниже мы будем называть её фуллереном.
Впервые синтезированные молекулы имеют очень причудливые формы. Раньше никогда не было, чтобы форма новой молекулы была знакома каждому жителю нашей планеты. Кроме фуллерена нет ни одной молекулы столь близкой к сфере. Его форма – уникальна.
В статье «Красота и изящество в мире молекул5» химики выбирали молекулу с самой яркой харизмой6. Титул «Самая красивая молекула Вселенной» получила молекула фуллерена. После её открытия многие учёные долго не могли поверить, что такая молекула вообще может существовать – в ней есть симметрия, которая встречается только в живой природе!
Как отличить живое от неживого? На данный момент, биология не может дать полного и исчерпывающего ответа на этот вопрос. Одно из отличий – поворотная симметрия пятого порядка. Если цветок с пятью лепестками повернуть на угол 72 градуса (360/5), силуэт цветка не изменится. Считалось, что такая симметрия присуща только живому. В неживой природе такая симметрия не встречается7. Цветы с пятью лепестками, морские звёзды, биомолекулы тела человека симметричны относительно одной оси. В молекуле фуллерена – шесть осей такой симметрии. Это единственная молекула в Природе, обладающая столь уникальной симметрией.
Фуллерены в Космосе
Через 25 лет после открытия на Земле, фуллерен был найден в Космосе8. Используя возможности космического телескопа Spitzer, астрономы исследовали более 250 ближайших планетарных туманностей. Масса фуллеренов, рассеянных вокруг одной из звёзд Малого Магелланова облака, более чем в 15 раз превышает массу нашей Луны. Твёрдые фуллерены были обнаружены вокруг двойной звезды XX Змееносца9.
Наша звезда, как и все другие звёзды, возникла из тёмной ледяной бездны, которую называют межзвёздной средой. Анализ излучения космических объектов – единственная возможность сделать вывод об их составе. Однако не только о нем: межзвёздная среда поглощает часть света, и по этому поглощению можно узнать, из чего она состоит.
Учитывая, что всё во Вселенной возникло из межзвёздной среды, важно было понимать её состав. В 1919 году были обнаружены первые диффузные полосы межзвёздного поглощения. В 1987 году Гарри Крото предположил, что ионы фуллерена могут быть носителями диффузных межзвёздных полос. Но не хватало их спектров при низкой температуре и давлении, таких как в Космосе. В 2015 году, после 20 лет усилий, спектры были получены10.
В апреле 2019 года были опубликованы результаты наблюдений, с использованием новой методики сканирования космического телескопа Hubble, предоставивших убедительное доказательство того, что фуллерен входит в состав межзвёздной среды11. Это значит, что свет от далёких звёзд, идущий до нас миллионы световых лет, на своём пути постоянно встречает молекулы углерода.