Страница:
Сейчас, быть может, Володя расскажет немного про то, такие формы имеют по современным представлениям эти объединения молекул воды – ассоциаты…
В.В. всё-таки я бы хотел пояснить, если мы вернёмся назад к радикалам, насколько это важные и существенные вещи. Все молекулы, которые нас окружают, имеют чётное число электронов. Их может быть 2, их может быть 4, 6, 8 на тех внешних оболочках, с помощью которых эти молекулы взаимодействуют с другими. А радикалы – это частицы, у которых нечётное число электронов, на один меньше или на один больше, то есть либо у молекулы оторвался один, либо к ней присоединился откуда-то ещё электрон. И эти частицы, радикалы, всегда стремятся заполнить свою оболочку до чётного числа, то есть откуда-то взять ещё один дополнительный электрон. Именно поэтому вода – это устойчивая структура, а вот разорванная на две половинки Н и ОН, где у атома водорода один электрон и у второго остатка, гидроксил-радикала, тоже один электрон, это две очень энергичные частицы.
Д.С. На внешней орбите.
В.В. На внешней, естественно, орбитали. Здесь речь идёт о химии. И даже тот сам по себе факт, что если они рекомбинируют обратно, то есть воду порвали на атом водорода и гидроксил, а потом они соединились вновь, и снова получилась вода, имеет не тривиальные следствия. Результат очень существенный, очень важный. Потому что порвали эту воду с помощью звука, а когда она соединилась назад, то вспыхнул микроимпульс…
А.Г. Испустился свет.
В.В. Да, испустился свет. Конечно, он может не высветиться, но возник импульс энергии, который несопоставим по своей плотности с тем самым звуком, которым вода была разорвана. В этом смысле вода выступает в роли трансформатора энергии. Энергию низкой плотности, так сказать, тепло, которое нас окружает, она, вообще говоря, превращает в свет.
А.Г. А каков механизм этого? Резонансный механизм?
В.В. Чтобы ответить, надо снова вернуться к тому, почему звук может рвать воду. Из всех мыслимых возможностей это может происходить, только если в воде есть примерные структуры, как показано на этой картинке. На этой картинке показаны представления многих расчётчиков, квантовых химиков, которые, когда они стали уже исходить из того, что в воде есть полимеры, предложили, как они могут выглядеть. Это последних лет работы. Вот, обратите внимание, какие, так сказать, замечательные по своей красоте получаются структуры.
Д.С. Надо всё-таки сказать ещё раз, что это умозрительные структуры.
В.В. Так я же сказал, что это расчётные вещи.
А.Г. А что мешает наблюдению этих структур?
В.В. А наблюдению этих структур мешает следующее. Во-первых, судя по всему, в воде разнообразных полимеров очень много. То есть, если бы был какой-то один класс полимеров, тогда можно было бы их выделить, посмотреть. А в воде наверняка представлены самые разные формы. Скажем, по одной из английских работ, здесь наверху три таких сравнительно небольших кластера, и эти кластеры могут объединяться друг с другом, или разъединяться друг от друга и давать самые разнообразные полимеры. Химики, которые стремятся что-то определённое выделить, всё-таки хотят, чтобы данного вещества было достаточно много и оно было однородным. И более того, чтобы оно не было таким лабильным. То есть в процессе…
А.Г. То есть, чтобы время его существования было достаточным.
Д.С. Здесь можно много чего сказать. Но ты упомянул время существования – это действительно интересно. Вообще-то, считается, что продукты диссоциации воды – эти радикалы Н и ОН в чистой воде, где ничего другого нет, что они очень короткоживущие, потому что они, действительно, очень активные и диффундируют довольно быстро. Но оказалось, что они довольно долго могут существовать в воде. А долго они могут существовать, только если они как бы запечатаны в «клетках» структур воды. Их долгое существование – это хорошее свидетельство того, что в воде есть структуры, есть такие клетки, такие клатраты, такие пещерки, составленные из молекул воды, в которых радикалы сохраняются буквально часами. Этот результат опытов был для нас совершенно удивительным и приятным… Например, талая вода продолжает генерировать перекись водорода в течение суток, по сути дела. То есть там…
А.Г. То есть радикалы там присутствуют…
Д.С. Да, они там, образовавшись, остаются отчасти как бы временно запечатанными, и они ещё какое-то время находят друг друга, и из-за этого концентрация перекиси ещё долго нарастает после растаивания льда.
В.В. Сегодня уже можно даже найти объяснение, почему. Всё здесь оказывается взаимосвязанным. Наличие структур в воде, полимерных структур, даёт возможность образованию радикалов. И то же самое наличие структур даёт возможность их длительного времени жизни. Почему? Потому что радикал может, условно говоря, прилипать к этой структуре. И тогда тот самый электрон, который стремится получить откуда-то дополнительный электрон, он как бы размазывается по всей этой структуре. Этот электрон попадает в общую электронную систему этого кластера, и поэтому вероятность оторвать или отдать такой электрон уже существенно снижается. Уменьшение этой вероятности, это, соответственно, увеличение времени жизни.
Д.С. А то все ищут, ищут, а найти не могут…
В.В. Да, совершенно верно. А это увеличение линии жизни.
Д.С. Я тут сделал прикидки и получил, что каждый акт таяния льда приводит к тому, что одна триллионная молекула, т.е. из триллиона молекул льда при таянии, одна молекула воды диссоциирует. Действительно, почти неуловимые эффекты, совсем небольшие. Но в глобальном смысле следствия оказываются довольно велики, и результаты оценок приводят к очень к красивым результатам.
В.В. Поскольку у нас время ограничено, давай переходить к следствиям.
Д.С. Есть ещё время, и мне бы хотелось, чтобы все мы как-то по-новому глянули на эти процессы. У меня есть некая заготовка – клип. Может быть, сейчас его посмотрим, и я прокомментирую чуть-чуть.
А.Г. Пожалуйста. Если мы готовы, давайте дадим. Пока готовят клип, у меня ещё один вопрос, на который вы можете потом ответить. Почему вода расширяется при замерзании?
Д.С. Предполагается, что весь лёд на Земле имеет одну и ту же структуру – 1Н, эта структура подобна графиту. Вообще-то эта структура более рыхлая, чем вода, и при её организации происходит увеличение объёма вещества, а при таянии существует возможность уплотнения, и объём уменьшается…
А.Г. Вот пошёл клип.
Д.С. Смотрите, тут в облаках всё время происходят акты испарения и конденсация воды. И всякий раз это сопровождается диссоциацией воды. А здесь внутренние волны бегут в атмосфере. И это сопровождается образованием вертикальных колонн облаков. Здесь, при переконденсации воды в атмосфере диссоциация воды происходит слабее – уже 1 молекула из 1015, претерпевших переконденсацию диссоциирует при каждом акте. Но всё равно процессы так интенсивны, что в таких ситуациях, поскольку эта переконденсация происходит неоднократно, заготавливается много перекиси водорода. В конечном итоге в воде дождей её может накопиться до 10-4 моля на литр.
И здесь в потоках воды, в водопадах, в любой реке, в любом ручье, в ключах всё время происходит диссоциация воды. Раньше не предполагалось, что это следствия действия одного и того же механизма, это нельзя было оценить заранее. А вот море, в нём тоже всё пронизано процессами диссоциации воды. В море, в общем-то, достаточно много перекиси водорода. В море есть и свои механизмы образования перекиси. Однако в основном в море перекись поступает с дождями. Перекись водорода – быстро распадающееся вещество, и его присутствие означает, что его количество всё время пополняется. Такой, оказывается, этот мир, в нём из-за очень многих причин всё время генерируются радикалы из воды. И это страшно интересно: наличие радикалов приводит к тому, что, как оказалось, в природе протекают реакции, осуществление которых ранее не учитывалось. Например, утилизируется азот атмосферы. А начало всему – это то, что перекись водорода, распадаясь, даёт кислород. Причём наш расчёт показывает, что этот кислород настолько быстро продуцируется… Вот, смотрите какая красотища, какая волна…. Во всех этих движениях и трансформациях воды всё время происходит диссоциация воды. Кстати, в пене гребней волн она происходит на несколько порядков быстрее, чем, допустим, просто в волновых колебаниях воды.
В.В. Ну и сколько же образуется кислорода?
Д.С. В пене волн диссоциация протекает на несколько порядков эффетивней, чем при сонолизе. То есть всякие мифы о Венере…
В.В. Афродите…
Д.С. …розовопенной, по-моему, что-то такое рациональное в себе содержат…
А.Г. Так всё-таки, возвращаясь к вопросу, какое количество кислорода при этом образуется. Это может повлиять на биогенную точку зрения образования нашей кислородной атмосферы?
Д.С. Конечно. Биогенная гипотеза происхождения кислородной атмосферы представляется вообще малосостоятельной.
В.В. Да, если чуть-чуть ускорить наш процесс, то имеет смысл сказать следующее. Как только есть жидкая вода, сразу, исходя из тех процессов, о которых было сказано, идёт её распад. Как говорилось, в пене идёт интенсивный распад воды, потому что вода там формирует тонкие плёнки, и степень её структурированности, полимерности много выше, чем в объёме. Есть ещё один процесс, и они его изучали, – это фильтрация. То есть громадное количество воды на Земле фильтруется, фильтруется через очень тонкопористые структуры. И при этом распад идёт очень эффективно. Ведь распад воды тем более эффективен, чем более вода связана.
Почему при фильтрации этот процесс идёт чрезвычайно эффективно? Потому что стенки пор гидратированы, и там очень много фактически полимерной воды. А капиллярные силы эту воду рвут, и поэтому там получается очень большой выход радикалов. А перекись водорода, о которой говорил Дмитрий, выступает здесь как промежуточный продукт, потому что природа имеет дело не с абсолютно химически чистой водой, естественно, и абсолютно химически нейтральными сосудами, в которых эта вода находится. А она имеет дело именно с растворами, содержащими катализаторы, которые приводят практически к немедленному разрушению перекиси водорода. Поэтому она и не накапливается в больших количествах. А на что она распадается? Она распадается на кислород и воду тоже, естественно.
И вот оценки этого говорят …
Д.С. Вообще, когда эта идея о механохимической диссоциации воды была сформулирована, нам сразу стало ясно, что вот мы и нашли источник кислорода в атмосфере. До этого практически единственным рассматриваемым физическим источником был фотолиз паров воды в верхних слоях атмосферы. Там действительно такой распад воды происходит, но уже давно было ясно, что производительность этого процесса невелика…
В.В. Ну поэтому никто и не принимал его во внимание, все прекрасно знали…
Д.С. На этом рисунке наши оценки… Вот фотолиз, а вот испарение и конденсация, ось внизу даёт порядки величин. То есть испарение-конденсация дают кислорода более чем на два порядка больше, примерно, по сравнению с фотолизом. Кстати, весьма приличную долю вносит замерзание-таяние, в общем-то, на уровне фотолиза. Очень эффективны падения капель дождей, эти удары капель, и я хотел вам показать ещё потом клип под конец, если можно, это красиво. Просачивание воды в почву тоже заметный механизм для диссоциации воды в природе. При этом в такой уже минеральной, по сути, воде формируются разнообразные особые свойства, о чём сейчас и расскажет Володя. Ну и океан в целом, его течения, волнения…
Мы оценили следствия этих процессов, т.е сколько перекиси водорода появляется заново за год, а ведь примерно столько же выделяется и кислорода в результате распада этой перекиси, т.к. если столько-то приходит перекиси, то столько же её и распадается. И получается, что в нынешних условиях, с тем зеркалом воды и с этой температурной обстановкой. Вернадский вообще-то говорил, что температурная обстановка на Земле этак 4 с половиной миллиарда лет не меняется, может быть, чуть трендирует, да и не трендирует, а варьируется, дышит. Да, так вот, у нас получается, что за несколько миллионов лет такую кислородную атмосферу этот механизм может создать…
А.Г. И поддерживать?
Д.С. Естественно… Тут один из оппонентов нам сразу сказал: как же так? куда кислород-то уходит излишний? почему кислород на таком уровне в атмосфере поддерживается? Этот последний вопрос хорош: не знаем пока, почему он поддерживается на существующем уровне.
А.Г. То есть, погодите. Если сегодня всё, что содержит хлорофилл, с земной поверхности исчезнет, вырубят все леса, на что…
Д.С. О-о, красивая и стандартная позиция оппонентов. Но леса нам не только этим ценны…
А.Г. Это я знаю, да. Но всё же – состав атмосферы не изменится?
В.В. Кардинальным образом он не изменится.
Д.С. Вернадский писал: жизнь на планете «могла появиться, как только температура, давление, химическая обстановка стали отвечать необходимым для жизни изучаемых нами организмов условиям».
Это означает, что в самом начале геологического существования Земли сначала создалась эта оранжерея, то есть создался слой почвы, который можно было назвать плодородным, потому что он был насыщен утилизированным азотом и многими другими необходимыми добавками. Была кислородная атмосфера, был оторвавшийся слой озона – крыша этой оранжереи. И кто-то дунул, или что-то там произошло, и жизнь как пожар…
Вернадский прекрасно доказал, что не могло быть зарождения жизни в геологические времена существования Земли…
В.В. Дмитрий, это немножко уже по моей части. всё-таки Вернадский величайший учёный, но он творил…
А.Г. Платон мне друг, но истина дороже.
Д.С. Вернадский – это Вернадский.
В.В. Совершенно верно. Никто не подвергает…
А.Г. Какие у вас возражения, интересно?
В.В. Возражений практически нет. Возражения только к термину «думал…» …
Д.С. Ну не надо, это же не о воде.
В.В. Только к этому слову…
А.Г. То есть вы хотите сказать, что в начале эволюционного процесса на Земле сразу появились организмы, которые были, по сути дела, адекватны сегодняшним по потреблению кислорода.
Д.С. Да, совершенно верно, могу ещё процитировать Вернадского: «На протяжении всех геологических веков на Земле существовала жизнь, одинаковым образом отражавшаяся на химических процессах в земной коре». Каково?
В.В. Замечательно, всё совершенно правильно, только это надо уточнить сейчас уже на совершенно конкретных новых материалах, которые получены не только вами. Тут следует сказать, что часто многие оппоненты говорят: «А, это единичные работы, никто другой такого больше не показал». На самом деле, по поводу того, что вода может диссоциировать с образованием водорода и кислорода, в последние годы появились работы и абсолютно независимые. Например, есть такой «Джорнел оф кемикл коммьюникейшнс», в котором японцы в 98-м, потом в 99 году представили работы чисто технологические, где они показали, что в присутствии простейших катализаторов… Я свою точку зрения могу высказать?
Д.С. Это ты про работы группы профессора Икеды? И без ссылок на нас. А мы это же, практически, опубликовали в 93 году…
В.В. Печатайтесь на японском – и будут ссылки на вас. Итак, они показали, что в присутствии простейших катализаторов, окислов железа, марганца, меди, просто перемешивание воды приводит к интенсивному освобождению водорода. Их-то там интересовал водород по совершенно понятным причинам, а не кислород. К такому интенсивному освобождению, что в принципе эту методику можно использовать для получения водорода. Понятное дело, что если из воды получается водород, то, извините, кислород тоже куда-то должен деваться.
Д.С. У них пока КПД получился как у паровоза примерно. Но и то… Ну, у нас тоже получалось нечто вроде.
В.В. Есть и другие работы, которые тоже говорят о появлении кислорода в результате абиогенных процессов. Например, движения материков. И отсюда чрезвычайно важное следствие. Следствие, просто кардинально меняющее все наши представления о ходе биологической эволюции. Если кислород был в начале, до того как появились оформленные организмы, они всё-таки появились не мгновенно, я не большой сторонник идеи креационизма о том, что сразу хлоп – и всё было уже сформировано так, как мы сейчас наблюдаем. Так вот, если в начале был кислород, то, соответственно, весь процесс, не эволюции, а назовём её развитие системы организмов на земле, фактически развитие биосферы, он, конечно, шёл совершенно не по тем путям, которые сейчас пытаются описать.
Что касается анаэробов. Анаэробы есть и сейчас, когда, слава тебе, господи, хватает кислорода в атмосфере. Потом, что такое анаэроб – это, как правило, микроорганизм, который погибает при уже чрезвычайно низких концентрациях кислорода в среде. И основную свою энергию получает за счёт окислительно-восстановительных процессов, связанных не с молекулярным кислородом. Но у этого самого анаэроба есть всегда ферменты, которые имеют дело с теми активными формами кислорода, которые всегда получаются из воды, при диссоциации воды. Когда я познакомился с работами об абиогенной продукции кислорода, естественно, заинтересовало меня то, что сейчас в эволюционной теории очень много говорят об этих чёрных курильщиках, белых курильщиках на дне океанов, где существуют свои собственные чрезвычайно богатые биосферы. Причём в этих биосферах живут не только и не столько даже микроорганизмы, а живут большие организмы, до 50 килограммов. И у этих больших животных есть кровь. А это вообще на дне океанов, ещё при температурах в районе сотни и несколько больше градусов. И зоологи это изучают, а кровь-то должна переносить кислород. Откуда там берётся такое количество кислорода для того, чтобы эти животные могли фактически быть аэробами в этой глубине?
Вот ещё один из чрезвычайно важных моментов, важных факторов. Когда мы говорим о биологическом фотосинтезе как источнике кислорода, то опять же мы выхватываем один только этап из всего жизненного цикла растения. Растение – сначала семечко, оно не производит кислорода. Оно потребляет кислород. Между прочим, растение это может развиваться в течение достаточно длительного времени без света. И вообще без хлорофилла.
Д.С. Вообще, когда растение взрослое, то по потреблению-производству кислорода по сути баланс нулевой…
В.В. Этиолированное растение не имеет хлорофилла, тем не менее, оно растёт, это растение.
И потом растение погибает. Оно погибает, но оно должно превратиться соответственно в гумус, что это за процесс? Это процесс окисления, естественно, без кислорода тления, гниения не происходит. И если свести весь баланс, то, по большому счёту, окажется, что фотосинтез – для растительных организмов – это отдача того, что они вберут на других этапах жизненного цикла.
А.Г. Ну всё, приговор экваториальным лесам уже раздался.
В.В. Нет, ни в коем случае, ни в коем случае. Потому что, помимо всего прочего, есть ещё углекислый газ. Вообще говоря, ведь мы имеем дело с биосферой, как с громадным количеством взаимосвязанных циклов. И если мы из биосферы извлекаем какой-то существенный массивный кусок, то эти все циклы, которые должны быть сопряжены друг с другом, начинают идти вразнос. И когда они начинают идти вразнос, эти циклы, это и приводит к катастрофам. Вот у вас тут были Малинецкий, Курдюмов, они о подобных вещах говорили. Другое дело, что со временем, когда-то, рано или поздно, через миллионы, может, лет снова всё устаканится. Но мы-то живём сейчас. Нам бы не хотелось сейчас попадать в катастрофы.
А.Г. Поскольку мы живём сейчас, у меня вот какой вопрос: если всё-таки увеличение средней температуры планеты достигнет таких значений, что полярные шапки растают, это каким-то образом скажется на содержании кислорода в атмосфере?
Д.С. Может быть. Но ведь пока нет никаких добротных свидетельств тому, что потепление-то есть. Вот другой вопрос, Александр. Если есть такой процесс диссоциации воды, то есть кислород вырабатывается с избытком, а потом сгорает наверху в термосфере, это означает, что на Земле есть ещё дополнительный – к ныне изучаемому – источник озона. Тогда оказывается (и есть такие оценки), что вся идея опасности появления озонных дыр из-за нашей деятельности, из-за этих пшикалок с фреонами, – она просто превращается в детский страх…
В.В. Я хотел бы вернуться к вопросу о том, что, возможно, поддерживает этот самый 21 процент кислорода. Мы говорили большую часть нашего времени о том, как вода производит кислород. А сейчас я хотел бы сказать о том, что вода на самом деле и потребляет кислород. То есть вода – это такая потрясающая совершенно по своей уникальности субстанция, которая является и источником кислорода, и потребителем кислорода. Что такое потребляет кислород? Это значит, что вода окисляется.
А.Г. То есть горит.
В.В. То есть горит, совершенно верно. И здесь на этой картинке представлен пример очень свежей американской работы, сделано крупнейшее открытие в области иммунологии. Казалось бы, какая, так сказать, связь между тем, о чём мы говорили сейчас и иммунологией? Такая красивая синяя красно-жёлтая структура на рисунке – это антитело. Антитела, как известно, в иммунной системе вырабатываются соответствующими клетками. И функция их, как всем хорошо известно, связывать антигены, то есть чужеродные частицы, а дальше сложный цикл включается, сложный процесс устранения этих чужеродных частиц. Открытие заключалось в том, что антитела, помимо всего прочего, являются катализаторами. И катализ они осуществляют совершенно удивительный. Они окисляют кислородом воду. В этот процесс вступает не просто молекулярный кислород, а вот там, на рисунке, кислород со звёздочкой указан, так называемый синглетный кислород. Этот синглетный кислород, в частности, получается обязательно, если есть кислород в среде, и идут те радикальные реакции в воде, когда происходит рекомбинация, когда идёт развал перекиси водорода, то кислород из этого развала получается в синглетной форме, это возбуждённый кислород, то есть уже химически активированный. Так вот эти самые антитела используют активированный химический кислород, а его, судя по всему, получается достаточно, но он очень коротко живущий из-за своей высокой химической активности. Поэтому его мгновенные концентрации чрезвычайно малы. А поток его большой. И этот кислород окисляет воду. И там нарисована такая замечательная картинка, так сказать, сгорания воды. Кислород плюс две молекулы воды – получается две молекулы перекиси водорода.
Антитела делают перекись очень интенсивно. Там нет проблем с измерением того, сколько получится перекиси. Перекиси получается много. Но известно, что катализатор может только ускорять ту реакцию, которая, вообще-то говоря, протекает и сама по себе. Здесь реакция протекает очень быстро. И возникает вопрос, а в каких условиях, когда и как протекает реакция окисления воды кислородом без этих самых антител? И выясняется, что эта реакция протекает на самом деле постоянно.
Д.С. Напомню всё же, что всё живое защищено от перекиси водорода очень сильно, т.е. что перекись водорода – яд…
В.В. Это как раз моя проблема, я всё-таки специалист в области, что такое яды и что такое не яды.
Д.С. Но всё же всё живое защищено от перекиси водорода.
В.В. Дмитрий, всё яд и всё лекарство. Да, как известно, всё зависит от дозы. Правильно? Естественно, не надо 35-процентной перекисью водорода голову мыть, чтобы стать блондинкой.
Перекись водорода ядом просто быть не может в тех концентрациях, в тех дозах, которые вообще мыслимы в реальной среде, как в нашей внутренней, так в нашей внешней. Но это уже тема совсем другого разговора.
Д.С. Не перекись, конечно, а радикалы из воды…
В.В. И радикалы тоже, это тема другого разговора, Дмитрий. Тема другого разговора, и мы с тобой неоднократно на эту тему говорили, что без радикалов жизнь невозможна. В частности, если говорить о радикалах, я не знаю, были ли на этой передаче разговоры по поводу аэроионов Чижевского. Аэроионы Чижевского – это супероксидные радикалы. Ещё Чижевский показал, что если в воздухе этих радикалов нет, если поместить животное в условия нормальной атмосферы, нормальной концентрации кислорода, нормальной концентрации азота, то мышки за неделю, крысы за две недели умирают со 100-процентной вероятностью от удушья.
А.Г. Я просто хотел узнать, возможно, просчитать всё-таки… Почему мне эта мысль не даёт покоя – потому что были геологические периоды в истории, когда повышалась температура и полярные шапки таяли.
Д.С. Ну – это тоже не факт. Может, эти шапки льда в другом месте в это время возникали? Гренландия, например, она же по определению Зелёная страна, а что мы сейчас имеем?
А.Г. Но я всё-таки хочу досказать свою мысль, с вашего позволения. Может быть, это просто-напросто естественный механизм регуляции так называемого парникового эффекта? Потому что, если выделяется дополнительное количество кислорода, который, сгорая в термосфере, как вы сказали, вызывает повышенную концентрацию озона, который экранирует землю от ультрафиолетовых лучей, – она начинает остывать. Вот естественный механизм регуляции парникового эффекта.
В.В. всё-таки я бы хотел пояснить, если мы вернёмся назад к радикалам, насколько это важные и существенные вещи. Все молекулы, которые нас окружают, имеют чётное число электронов. Их может быть 2, их может быть 4, 6, 8 на тех внешних оболочках, с помощью которых эти молекулы взаимодействуют с другими. А радикалы – это частицы, у которых нечётное число электронов, на один меньше или на один больше, то есть либо у молекулы оторвался один, либо к ней присоединился откуда-то ещё электрон. И эти частицы, радикалы, всегда стремятся заполнить свою оболочку до чётного числа, то есть откуда-то взять ещё один дополнительный электрон. Именно поэтому вода – это устойчивая структура, а вот разорванная на две половинки Н и ОН, где у атома водорода один электрон и у второго остатка, гидроксил-радикала, тоже один электрон, это две очень энергичные частицы.
Д.С. На внешней орбите.
В.В. На внешней, естественно, орбитали. Здесь речь идёт о химии. И даже тот сам по себе факт, что если они рекомбинируют обратно, то есть воду порвали на атом водорода и гидроксил, а потом они соединились вновь, и снова получилась вода, имеет не тривиальные следствия. Результат очень существенный, очень важный. Потому что порвали эту воду с помощью звука, а когда она соединилась назад, то вспыхнул микроимпульс…
А.Г. Испустился свет.
В.В. Да, испустился свет. Конечно, он может не высветиться, но возник импульс энергии, который несопоставим по своей плотности с тем самым звуком, которым вода была разорвана. В этом смысле вода выступает в роли трансформатора энергии. Энергию низкой плотности, так сказать, тепло, которое нас окружает, она, вообще говоря, превращает в свет.
А.Г. А каков механизм этого? Резонансный механизм?
В.В. Чтобы ответить, надо снова вернуться к тому, почему звук может рвать воду. Из всех мыслимых возможностей это может происходить, только если в воде есть примерные структуры, как показано на этой картинке. На этой картинке показаны представления многих расчётчиков, квантовых химиков, которые, когда они стали уже исходить из того, что в воде есть полимеры, предложили, как они могут выглядеть. Это последних лет работы. Вот, обратите внимание, какие, так сказать, замечательные по своей красоте получаются структуры.
Д.С. Надо всё-таки сказать ещё раз, что это умозрительные структуры.
В.В. Так я же сказал, что это расчётные вещи.
А.Г. А что мешает наблюдению этих структур?
В.В. А наблюдению этих структур мешает следующее. Во-первых, судя по всему, в воде разнообразных полимеров очень много. То есть, если бы был какой-то один класс полимеров, тогда можно было бы их выделить, посмотреть. А в воде наверняка представлены самые разные формы. Скажем, по одной из английских работ, здесь наверху три таких сравнительно небольших кластера, и эти кластеры могут объединяться друг с другом, или разъединяться друг от друга и давать самые разнообразные полимеры. Химики, которые стремятся что-то определённое выделить, всё-таки хотят, чтобы данного вещества было достаточно много и оно было однородным. И более того, чтобы оно не было таким лабильным. То есть в процессе…
А.Г. То есть, чтобы время его существования было достаточным.
Д.С. Здесь можно много чего сказать. Но ты упомянул время существования – это действительно интересно. Вообще-то, считается, что продукты диссоциации воды – эти радикалы Н и ОН в чистой воде, где ничего другого нет, что они очень короткоживущие, потому что они, действительно, очень активные и диффундируют довольно быстро. Но оказалось, что они довольно долго могут существовать в воде. А долго они могут существовать, только если они как бы запечатаны в «клетках» структур воды. Их долгое существование – это хорошее свидетельство того, что в воде есть структуры, есть такие клетки, такие клатраты, такие пещерки, составленные из молекул воды, в которых радикалы сохраняются буквально часами. Этот результат опытов был для нас совершенно удивительным и приятным… Например, талая вода продолжает генерировать перекись водорода в течение суток, по сути дела. То есть там…
А.Г. То есть радикалы там присутствуют…
Д.С. Да, они там, образовавшись, остаются отчасти как бы временно запечатанными, и они ещё какое-то время находят друг друга, и из-за этого концентрация перекиси ещё долго нарастает после растаивания льда.
В.В. Сегодня уже можно даже найти объяснение, почему. Всё здесь оказывается взаимосвязанным. Наличие структур в воде, полимерных структур, даёт возможность образованию радикалов. И то же самое наличие структур даёт возможность их длительного времени жизни. Почему? Потому что радикал может, условно говоря, прилипать к этой структуре. И тогда тот самый электрон, который стремится получить откуда-то дополнительный электрон, он как бы размазывается по всей этой структуре. Этот электрон попадает в общую электронную систему этого кластера, и поэтому вероятность оторвать или отдать такой электрон уже существенно снижается. Уменьшение этой вероятности, это, соответственно, увеличение времени жизни.
Д.С. А то все ищут, ищут, а найти не могут…
В.В. Да, совершенно верно. А это увеличение линии жизни.
Д.С. Я тут сделал прикидки и получил, что каждый акт таяния льда приводит к тому, что одна триллионная молекула, т.е. из триллиона молекул льда при таянии, одна молекула воды диссоциирует. Действительно, почти неуловимые эффекты, совсем небольшие. Но в глобальном смысле следствия оказываются довольно велики, и результаты оценок приводят к очень к красивым результатам.
В.В. Поскольку у нас время ограничено, давай переходить к следствиям.
Д.С. Есть ещё время, и мне бы хотелось, чтобы все мы как-то по-новому глянули на эти процессы. У меня есть некая заготовка – клип. Может быть, сейчас его посмотрим, и я прокомментирую чуть-чуть.
А.Г. Пожалуйста. Если мы готовы, давайте дадим. Пока готовят клип, у меня ещё один вопрос, на который вы можете потом ответить. Почему вода расширяется при замерзании?
Д.С. Предполагается, что весь лёд на Земле имеет одну и ту же структуру – 1Н, эта структура подобна графиту. Вообще-то эта структура более рыхлая, чем вода, и при её организации происходит увеличение объёма вещества, а при таянии существует возможность уплотнения, и объём уменьшается…
А.Г. Вот пошёл клип.
Д.С. Смотрите, тут в облаках всё время происходят акты испарения и конденсация воды. И всякий раз это сопровождается диссоциацией воды. А здесь внутренние волны бегут в атмосфере. И это сопровождается образованием вертикальных колонн облаков. Здесь, при переконденсации воды в атмосфере диссоциация воды происходит слабее – уже 1 молекула из 1015, претерпевших переконденсацию диссоциирует при каждом акте. Но всё равно процессы так интенсивны, что в таких ситуациях, поскольку эта переконденсация происходит неоднократно, заготавливается много перекиси водорода. В конечном итоге в воде дождей её может накопиться до 10-4 моля на литр.
И здесь в потоках воды, в водопадах, в любой реке, в любом ручье, в ключах всё время происходит диссоциация воды. Раньше не предполагалось, что это следствия действия одного и того же механизма, это нельзя было оценить заранее. А вот море, в нём тоже всё пронизано процессами диссоциации воды. В море, в общем-то, достаточно много перекиси водорода. В море есть и свои механизмы образования перекиси. Однако в основном в море перекись поступает с дождями. Перекись водорода – быстро распадающееся вещество, и его присутствие означает, что его количество всё время пополняется. Такой, оказывается, этот мир, в нём из-за очень многих причин всё время генерируются радикалы из воды. И это страшно интересно: наличие радикалов приводит к тому, что, как оказалось, в природе протекают реакции, осуществление которых ранее не учитывалось. Например, утилизируется азот атмосферы. А начало всему – это то, что перекись водорода, распадаясь, даёт кислород. Причём наш расчёт показывает, что этот кислород настолько быстро продуцируется… Вот, смотрите какая красотища, какая волна…. Во всех этих движениях и трансформациях воды всё время происходит диссоциация воды. Кстати, в пене гребней волн она происходит на несколько порядков быстрее, чем, допустим, просто в волновых колебаниях воды.
В.В. Ну и сколько же образуется кислорода?
Д.С. В пене волн диссоциация протекает на несколько порядков эффетивней, чем при сонолизе. То есть всякие мифы о Венере…
В.В. Афродите…
Д.С. …розовопенной, по-моему, что-то такое рациональное в себе содержат…
А.Г. Так всё-таки, возвращаясь к вопросу, какое количество кислорода при этом образуется. Это может повлиять на биогенную точку зрения образования нашей кислородной атмосферы?
Д.С. Конечно. Биогенная гипотеза происхождения кислородной атмосферы представляется вообще малосостоятельной.
В.В. Да, если чуть-чуть ускорить наш процесс, то имеет смысл сказать следующее. Как только есть жидкая вода, сразу, исходя из тех процессов, о которых было сказано, идёт её распад. Как говорилось, в пене идёт интенсивный распад воды, потому что вода там формирует тонкие плёнки, и степень её структурированности, полимерности много выше, чем в объёме. Есть ещё один процесс, и они его изучали, – это фильтрация. То есть громадное количество воды на Земле фильтруется, фильтруется через очень тонкопористые структуры. И при этом распад идёт очень эффективно. Ведь распад воды тем более эффективен, чем более вода связана.
Почему при фильтрации этот процесс идёт чрезвычайно эффективно? Потому что стенки пор гидратированы, и там очень много фактически полимерной воды. А капиллярные силы эту воду рвут, и поэтому там получается очень большой выход радикалов. А перекись водорода, о которой говорил Дмитрий, выступает здесь как промежуточный продукт, потому что природа имеет дело не с абсолютно химически чистой водой, естественно, и абсолютно химически нейтральными сосудами, в которых эта вода находится. А она имеет дело именно с растворами, содержащими катализаторы, которые приводят практически к немедленному разрушению перекиси водорода. Поэтому она и не накапливается в больших количествах. А на что она распадается? Она распадается на кислород и воду тоже, естественно.
И вот оценки этого говорят …
Д.С. Вообще, когда эта идея о механохимической диссоциации воды была сформулирована, нам сразу стало ясно, что вот мы и нашли источник кислорода в атмосфере. До этого практически единственным рассматриваемым физическим источником был фотолиз паров воды в верхних слоях атмосферы. Там действительно такой распад воды происходит, но уже давно было ясно, что производительность этого процесса невелика…
В.В. Ну поэтому никто и не принимал его во внимание, все прекрасно знали…
Д.С. На этом рисунке наши оценки… Вот фотолиз, а вот испарение и конденсация, ось внизу даёт порядки величин. То есть испарение-конденсация дают кислорода более чем на два порядка больше, примерно, по сравнению с фотолизом. Кстати, весьма приличную долю вносит замерзание-таяние, в общем-то, на уровне фотолиза. Очень эффективны падения капель дождей, эти удары капель, и я хотел вам показать ещё потом клип под конец, если можно, это красиво. Просачивание воды в почву тоже заметный механизм для диссоциации воды в природе. При этом в такой уже минеральной, по сути, воде формируются разнообразные особые свойства, о чём сейчас и расскажет Володя. Ну и океан в целом, его течения, волнения…
Мы оценили следствия этих процессов, т.е сколько перекиси водорода появляется заново за год, а ведь примерно столько же выделяется и кислорода в результате распада этой перекиси, т.к. если столько-то приходит перекиси, то столько же её и распадается. И получается, что в нынешних условиях, с тем зеркалом воды и с этой температурной обстановкой. Вернадский вообще-то говорил, что температурная обстановка на Земле этак 4 с половиной миллиарда лет не меняется, может быть, чуть трендирует, да и не трендирует, а варьируется, дышит. Да, так вот, у нас получается, что за несколько миллионов лет такую кислородную атмосферу этот механизм может создать…
А.Г. И поддерживать?
Д.С. Естественно… Тут один из оппонентов нам сразу сказал: как же так? куда кислород-то уходит излишний? почему кислород на таком уровне в атмосфере поддерживается? Этот последний вопрос хорош: не знаем пока, почему он поддерживается на существующем уровне.
А.Г. То есть, погодите. Если сегодня всё, что содержит хлорофилл, с земной поверхности исчезнет, вырубят все леса, на что…
Д.С. О-о, красивая и стандартная позиция оппонентов. Но леса нам не только этим ценны…
А.Г. Это я знаю, да. Но всё же – состав атмосферы не изменится?
В.В. Кардинальным образом он не изменится.
Д.С. Вернадский писал: жизнь на планете «могла появиться, как только температура, давление, химическая обстановка стали отвечать необходимым для жизни изучаемых нами организмов условиям».
Это означает, что в самом начале геологического существования Земли сначала создалась эта оранжерея, то есть создался слой почвы, который можно было назвать плодородным, потому что он был насыщен утилизированным азотом и многими другими необходимыми добавками. Была кислородная атмосфера, был оторвавшийся слой озона – крыша этой оранжереи. И кто-то дунул, или что-то там произошло, и жизнь как пожар…
Вернадский прекрасно доказал, что не могло быть зарождения жизни в геологические времена существования Земли…
В.В. Дмитрий, это немножко уже по моей части. всё-таки Вернадский величайший учёный, но он творил…
А.Г. Платон мне друг, но истина дороже.
Д.С. Вернадский – это Вернадский.
В.В. Совершенно верно. Никто не подвергает…
А.Г. Какие у вас возражения, интересно?
В.В. Возражений практически нет. Возражения только к термину «думал…» …
Д.С. Ну не надо, это же не о воде.
В.В. Только к этому слову…
А.Г. То есть вы хотите сказать, что в начале эволюционного процесса на Земле сразу появились организмы, которые были, по сути дела, адекватны сегодняшним по потреблению кислорода.
Д.С. Да, совершенно верно, могу ещё процитировать Вернадского: «На протяжении всех геологических веков на Земле существовала жизнь, одинаковым образом отражавшаяся на химических процессах в земной коре». Каково?
В.В. Замечательно, всё совершенно правильно, только это надо уточнить сейчас уже на совершенно конкретных новых материалах, которые получены не только вами. Тут следует сказать, что часто многие оппоненты говорят: «А, это единичные работы, никто другой такого больше не показал». На самом деле, по поводу того, что вода может диссоциировать с образованием водорода и кислорода, в последние годы появились работы и абсолютно независимые. Например, есть такой «Джорнел оф кемикл коммьюникейшнс», в котором японцы в 98-м, потом в 99 году представили работы чисто технологические, где они показали, что в присутствии простейших катализаторов… Я свою точку зрения могу высказать?
Д.С. Это ты про работы группы профессора Икеды? И без ссылок на нас. А мы это же, практически, опубликовали в 93 году…
В.В. Печатайтесь на японском – и будут ссылки на вас. Итак, они показали, что в присутствии простейших катализаторов, окислов железа, марганца, меди, просто перемешивание воды приводит к интенсивному освобождению водорода. Их-то там интересовал водород по совершенно понятным причинам, а не кислород. К такому интенсивному освобождению, что в принципе эту методику можно использовать для получения водорода. Понятное дело, что если из воды получается водород, то, извините, кислород тоже куда-то должен деваться.
Д.С. У них пока КПД получился как у паровоза примерно. Но и то… Ну, у нас тоже получалось нечто вроде.
В.В. Есть и другие работы, которые тоже говорят о появлении кислорода в результате абиогенных процессов. Например, движения материков. И отсюда чрезвычайно важное следствие. Следствие, просто кардинально меняющее все наши представления о ходе биологической эволюции. Если кислород был в начале, до того как появились оформленные организмы, они всё-таки появились не мгновенно, я не большой сторонник идеи креационизма о том, что сразу хлоп – и всё было уже сформировано так, как мы сейчас наблюдаем. Так вот, если в начале был кислород, то, соответственно, весь процесс, не эволюции, а назовём её развитие системы организмов на земле, фактически развитие биосферы, он, конечно, шёл совершенно не по тем путям, которые сейчас пытаются описать.
Что касается анаэробов. Анаэробы есть и сейчас, когда, слава тебе, господи, хватает кислорода в атмосфере. Потом, что такое анаэроб – это, как правило, микроорганизм, который погибает при уже чрезвычайно низких концентрациях кислорода в среде. И основную свою энергию получает за счёт окислительно-восстановительных процессов, связанных не с молекулярным кислородом. Но у этого самого анаэроба есть всегда ферменты, которые имеют дело с теми активными формами кислорода, которые всегда получаются из воды, при диссоциации воды. Когда я познакомился с работами об абиогенной продукции кислорода, естественно, заинтересовало меня то, что сейчас в эволюционной теории очень много говорят об этих чёрных курильщиках, белых курильщиках на дне океанов, где существуют свои собственные чрезвычайно богатые биосферы. Причём в этих биосферах живут не только и не столько даже микроорганизмы, а живут большие организмы, до 50 килограммов. И у этих больших животных есть кровь. А это вообще на дне океанов, ещё при температурах в районе сотни и несколько больше градусов. И зоологи это изучают, а кровь-то должна переносить кислород. Откуда там берётся такое количество кислорода для того, чтобы эти животные могли фактически быть аэробами в этой глубине?
Вот ещё один из чрезвычайно важных моментов, важных факторов. Когда мы говорим о биологическом фотосинтезе как источнике кислорода, то опять же мы выхватываем один только этап из всего жизненного цикла растения. Растение – сначала семечко, оно не производит кислорода. Оно потребляет кислород. Между прочим, растение это может развиваться в течение достаточно длительного времени без света. И вообще без хлорофилла.
Д.С. Вообще, когда растение взрослое, то по потреблению-производству кислорода по сути баланс нулевой…
В.В. Этиолированное растение не имеет хлорофилла, тем не менее, оно растёт, это растение.
И потом растение погибает. Оно погибает, но оно должно превратиться соответственно в гумус, что это за процесс? Это процесс окисления, естественно, без кислорода тления, гниения не происходит. И если свести весь баланс, то, по большому счёту, окажется, что фотосинтез – для растительных организмов – это отдача того, что они вберут на других этапах жизненного цикла.
А.Г. Ну всё, приговор экваториальным лесам уже раздался.
В.В. Нет, ни в коем случае, ни в коем случае. Потому что, помимо всего прочего, есть ещё углекислый газ. Вообще говоря, ведь мы имеем дело с биосферой, как с громадным количеством взаимосвязанных циклов. И если мы из биосферы извлекаем какой-то существенный массивный кусок, то эти все циклы, которые должны быть сопряжены друг с другом, начинают идти вразнос. И когда они начинают идти вразнос, эти циклы, это и приводит к катастрофам. Вот у вас тут были Малинецкий, Курдюмов, они о подобных вещах говорили. Другое дело, что со временем, когда-то, рано или поздно, через миллионы, может, лет снова всё устаканится. Но мы-то живём сейчас. Нам бы не хотелось сейчас попадать в катастрофы.
А.Г. Поскольку мы живём сейчас, у меня вот какой вопрос: если всё-таки увеличение средней температуры планеты достигнет таких значений, что полярные шапки растают, это каким-то образом скажется на содержании кислорода в атмосфере?
Д.С. Может быть. Но ведь пока нет никаких добротных свидетельств тому, что потепление-то есть. Вот другой вопрос, Александр. Если есть такой процесс диссоциации воды, то есть кислород вырабатывается с избытком, а потом сгорает наверху в термосфере, это означает, что на Земле есть ещё дополнительный – к ныне изучаемому – источник озона. Тогда оказывается (и есть такие оценки), что вся идея опасности появления озонных дыр из-за нашей деятельности, из-за этих пшикалок с фреонами, – она просто превращается в детский страх…
В.В. Я хотел бы вернуться к вопросу о том, что, возможно, поддерживает этот самый 21 процент кислорода. Мы говорили большую часть нашего времени о том, как вода производит кислород. А сейчас я хотел бы сказать о том, что вода на самом деле и потребляет кислород. То есть вода – это такая потрясающая совершенно по своей уникальности субстанция, которая является и источником кислорода, и потребителем кислорода. Что такое потребляет кислород? Это значит, что вода окисляется.
А.Г. То есть горит.
В.В. То есть горит, совершенно верно. И здесь на этой картинке представлен пример очень свежей американской работы, сделано крупнейшее открытие в области иммунологии. Казалось бы, какая, так сказать, связь между тем, о чём мы говорили сейчас и иммунологией? Такая красивая синяя красно-жёлтая структура на рисунке – это антитело. Антитела, как известно, в иммунной системе вырабатываются соответствующими клетками. И функция их, как всем хорошо известно, связывать антигены, то есть чужеродные частицы, а дальше сложный цикл включается, сложный процесс устранения этих чужеродных частиц. Открытие заключалось в том, что антитела, помимо всего прочего, являются катализаторами. И катализ они осуществляют совершенно удивительный. Они окисляют кислородом воду. В этот процесс вступает не просто молекулярный кислород, а вот там, на рисунке, кислород со звёздочкой указан, так называемый синглетный кислород. Этот синглетный кислород, в частности, получается обязательно, если есть кислород в среде, и идут те радикальные реакции в воде, когда происходит рекомбинация, когда идёт развал перекиси водорода, то кислород из этого развала получается в синглетной форме, это возбуждённый кислород, то есть уже химически активированный. Так вот эти самые антитела используют активированный химический кислород, а его, судя по всему, получается достаточно, но он очень коротко живущий из-за своей высокой химической активности. Поэтому его мгновенные концентрации чрезвычайно малы. А поток его большой. И этот кислород окисляет воду. И там нарисована такая замечательная картинка, так сказать, сгорания воды. Кислород плюс две молекулы воды – получается две молекулы перекиси водорода.
Антитела делают перекись очень интенсивно. Там нет проблем с измерением того, сколько получится перекиси. Перекиси получается много. Но известно, что катализатор может только ускорять ту реакцию, которая, вообще-то говоря, протекает и сама по себе. Здесь реакция протекает очень быстро. И возникает вопрос, а в каких условиях, когда и как протекает реакция окисления воды кислородом без этих самых антител? И выясняется, что эта реакция протекает на самом деле постоянно.
Д.С. Напомню всё же, что всё живое защищено от перекиси водорода очень сильно, т.е. что перекись водорода – яд…
В.В. Это как раз моя проблема, я всё-таки специалист в области, что такое яды и что такое не яды.
Д.С. Но всё же всё живое защищено от перекиси водорода.
В.В. Дмитрий, всё яд и всё лекарство. Да, как известно, всё зависит от дозы. Правильно? Естественно, не надо 35-процентной перекисью водорода голову мыть, чтобы стать блондинкой.
Перекись водорода ядом просто быть не может в тех концентрациях, в тех дозах, которые вообще мыслимы в реальной среде, как в нашей внутренней, так в нашей внешней. Но это уже тема совсем другого разговора.
Д.С. Не перекись, конечно, а радикалы из воды…
В.В. И радикалы тоже, это тема другого разговора, Дмитрий. Тема другого разговора, и мы с тобой неоднократно на эту тему говорили, что без радикалов жизнь невозможна. В частности, если говорить о радикалах, я не знаю, были ли на этой передаче разговоры по поводу аэроионов Чижевского. Аэроионы Чижевского – это супероксидные радикалы. Ещё Чижевский показал, что если в воздухе этих радикалов нет, если поместить животное в условия нормальной атмосферы, нормальной концентрации кислорода, нормальной концентрации азота, то мышки за неделю, крысы за две недели умирают со 100-процентной вероятностью от удушья.
А.Г. Я просто хотел узнать, возможно, просчитать всё-таки… Почему мне эта мысль не даёт покоя – потому что были геологические периоды в истории, когда повышалась температура и полярные шапки таяли.
Д.С. Ну – это тоже не факт. Может, эти шапки льда в другом месте в это время возникали? Гренландия, например, она же по определению Зелёная страна, а что мы сейчас имеем?
А.Г. Но я всё-таки хочу досказать свою мысль, с вашего позволения. Может быть, это просто-напросто естественный механизм регуляции так называемого парникового эффекта? Потому что, если выделяется дополнительное количество кислорода, который, сгорая в термосфере, как вы сказали, вызывает повышенную концентрацию озона, который экранирует землю от ультрафиолетовых лучей, – она начинает остывать. Вот естественный механизм регуляции парникового эффекта.