КАРТА САЙТА

OCR 2010 © Калясников Ю.А. Наноминералогия воды и биосферные процессы. Публикуется по тексту: Калясников Ю.А. Наноминералогия воды и биосферные процессы: 2-е изд., перераб. и доп. Магадан: СВНЦ ДВО РАН, 2000. 64 с. ВВЕДЕНИЕ. ВОДА И СИАЛЬ. ПОЧЕМУ ВОДА - АНОМАЛЬНАЯ ЖИДКОСТЬ. В поисках тайны строения обыкновенной воды. Структура жидкой воды глазами геолога || СТРУКТУРА ВОДЫ И ГРОЗОВАЯ АКТИВНОСТЬ. Обзор истории и состояния проблемы. Снежная симфония грозы. ОБ УНИВЕРСАЛЬНОСТИ ВОДОРОДНОЙ СВЯЗИ. ВОДА И ЖИЗНЬ. К тайне начала биопоэза. Что есть биополе. ЗАКЛЮЧЕНИЕ || ПРИЛОЖЕНИЯ. Что же такое - живая вода. Можно ли питаться святым духом. ЛИТЕРАТУРА. || Тайна генетического кода в структуре воды // Вестник Российской Академии Наук, том 63, №8. 1993. || На нагорье Корякском (газета «Дальневосточный ученый» от 11 января 1984 г.)

 

УДК 556.1:576.1 Колясников Ю. А. Наноминералогия воды и биосферные процессы: 2-е изд., перераб. и доп. Магадан: СВНЦ ДВО РАН, 2000. 64 с. На основе оригинальной политетрамерной модели структуры воды освещены новые подходы к проблемам магмо- и рудообразования, даны конкретные сценарии развития грозового облака и рождения снежинки, возникновения Жизни и ее универсального генетического кода, записанного на водной матрице. Согласно новейшим экспериментальным данным, вода аномальна по всем свойствам потому, что она - единственное вещество мироздания, которое в различных агрегатных состояниях имеет разные, но соразмерные молекулы. Эта аномалия воды и уникальное связанное состояние обеспечили ей роль главного дирижера во всех биогеосферных процессах. Во втором издании книги переработан и дополнен раздел, касающийся антиэнтропийной сущности Жизни, биополя, что также связано с физикой воды, ее наноминералогией и будет интересно всем - от серьезных исследователей до школьников. Ключевые слова: структура воды, тетрамер, аномалии, гроза, генетический код, биополе, Жизнь. Ил.9. Библиогр.: 67 назв. Печатается по решению Президиума СВНЦ ДВО РАН Рецензенты: почетный академик Академии минеральных ресурсов России, проф. П.Ф. Иванкин, докт. биол. наук Б.В.Тестов, канд. геогр. наук Т.А. Имайкина. © Ю.А. Колясников, 2000 © СВНЦ ДВО РАН, 2000 Разрешение на размещение работы Ю.А. Колясникова на сайте "Вселенная живая" я получил от Председателя Северо-Восточного Научного центра ДВО РАН, член.-корр. РАН И.А. Черешнева. Монография размещена также на сайте "Эволюция в науке"

Юрий Андреевич Колясников

Колесников Юрий Андреевич родился в 1942 г., профессия - геолог, кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник Северо-Восточного комплексного научно-исследовательского института ДВО РАН, директор Музея естественной истории (г. Магадан). В последние 10 лет углубился в проблему структуры универсального и самого загадочного растворителя мироздания - Воды. Его первая книга «Вода - всему начало» вышла в свет в 1995 г. малым тиражом и быстро стала редкостью. На протяжении шести лет автор неоднократно докладывал свою теорию на различных семинарах, симпозиумах, в том числе международных, и публиковал все более детальные и обоснованные версии биопоэза и других приложений политетрамерной модели структуры воды. Но как трудно было даже ему самому смириться с мыслью, что в воде нет молекул Н2О! Все эти материалы вошли в новое издание книги, которая будет интересна всем - от серьезных исследователей до школьников.

 

Посвящается памяти нелепо погибшего старшего брата Александра, который помогал мне делать эту книгу...

 

Предисловие редактора интернет издания

Я обнаружил статью геолога Юрия Андреевича Колясникова о геологических экспедициях в Корякское нагорье совсем случайно, просматривая старые измятые и выброшенные номера газеты «Дальневосточный Ученый», прежде чем бросить их в печку. Начал статью читать и не мог оторваться. На меня вдруг дохнуло той нашей эпохой великой романтики и великой науки, которой мы посвятили свои жизни. Я путешествовал по северной Корякии спустя 10 лет после Ю. А. Колясникова, мы с А.В. Беликович изучали растительный покров этой удивительной страны. Россия в начале 90-х уже корчилась в конвульсиях ельцинских реформ, всюду среди ученой братии царило отчаяние и пессимизм, а мы, благодаря возможности работать в Корякском нагорье, были счастливы и сохранили искру оптимизма и донесли ее до начала нового века. Мы ездили на тех же вездеходах, на которых ездил Ю.А. Колясников со своими коллегами геологами, мы забирались на те же гипербазитовые горы, также находили палеолитические и неолитические стоянки древних людей и опубликовали описание одной из них в бухте Грейга.

Я знал Ю.А. Колясникова, мы встречались с ним в Магадане, но близко с ним я не был знаком, о чем сейчас очень жалею. Это был великий геолог, романтик, талантливый ученый, его работы о тонкой структуре воды просто изумительны. К сожалению подняться выше должности старшего научного сотрудника Ю.А. Колясников не смог. Что же мешало ему? По-моему больше всего ему мешал его большой незаурядный талант. У талантливого ученого идей больше, чем времени оформить их в диссертации. У неталантливого времени достаточно, чтобы одну идею, часто стыренную у кого-то из коллег, оформить в толстую книгу с твердым переплетом, защитить по ней кандидатскую и докторскую диссертации, стать членом корреспондентом Академии Наук и даже академиком и иметь хорошую зарплату. Талантливый ученый не может не находиться в противоречии с той эпохой, в которую он живет, так как он живет в будущем, в котором и будет понят и оценен.

Талантливых ученых часто жалеют обыватели. А зря. Обывателю кажется, что такой непризнанный ученый комплексует и мучается от того, что его не понимают, не ценят. А на самом деле это совсем не так. Талантливый ученый подключен к ноосфере и общается с ней. Он осознает значимость своих непризнанных открытий и, глядя на жалеющего его обывателя, тихонько улыбается в усы или в бороду, отращенную во время экспедиции. Игру в степени, звания, должности и медали ему заменяет игра с Природой.

Мне смешно наблюдать, как бюрократы от науки придумывают способы оценки эффективности работы научного сотрудника. Индексы цитирования, баллы ПРНД, количество статей в рецензируемых журналах, количество научных работ, количество цитирований за рубежом. Господи, что только не придумывают! А ведь всего одна идея может перекрыть тысячи статей и монографий! Большая часть научных статей и монографий – это просто шум в науке. От одной идеи, высказанной лет 50 назад полузабытым малоизвестным ученым, кормится огромная орава с большими ПРНД и зарплатами, но на самом деле мелких по научной значимости ученых.

Юрий Андреевич Колясников вряд ли имел бы высокий коэффициент ПРНД, доживи он до сегодняшнего дня. А вот его статью, выкопанную из мусора, и брошюру, изданную малюсеньким тиражом, я с удовольствием прочитал и решил, что надо их поместить в сеть интернет.

Там в куче выброшенных газет было очень много статей докторов и профессоров, но они не вызвали у меня никакого интереса. А вот эту захотелось сделать доступной для многих. Я надеюсь, что работами Ю.А. Колясникова заинтересуются студенты, аспиранты и молодые ученые, обязательно процитируют их, дабы, пусть посмертно, увеличить его рейтинг в нашем времени. Справедливость должна восторжествовать!

А.В. Галанин

---

ВВЕДЕНИЕ

Настоящая работа представляет итог исканий автора в течение более 30 лет. Сначала меня интересовало происхождение базальтовой магмы, затем стала проявляться роль воды во всех магматических процессах, тем более при образовании месторождений полезных ископаемых, отлагавшихся из горячих концентрированных водных растворов. И наконец, в последние 10 лет я всем ходом исследований был вынужден вплотную заняться проблемой структуры воды и приложений ее политетрамерной модели к различным природным процессам.

В своей работе я никогда не забываю крылатой фразы великого Исаака Ньютона: «Природа проста и не роскошествует излишними причинами вещей». К сожалению, человек зачастую обращает свой удивительно емкий на информацию и непревзойденный по ее осмыслению ум не на поиск простых решений, более свойственных Природе, а на усложнение схем, гипотез, теорий, иногда просто на придумывание несуществующего, которое на сегодня кажется очевидным. Впоследствии целые поколения исследователей вынуждены разбирать завалы такого придуманного нами «знания». Примеров тому можно привести много, начиная с геоцентрической системы, теории флогистона и кончая господствующими ныне догмами в различных областях знания. Но особенно это касается воды, которая может быть структурированной, живой, мертвой и пр.

ВОДА И СИАЛЬ

Не секрет, что Жизнь на нашей голубой планете возникла лишь благодаря наличию на ней жидкой гидросферы. Точнее сказать, только с образованием тонкой пленки жидкой воды появилась возможность рождения живого на Земле! Известно также, что вода - самое простое химическое соединение нашей планеты - является и наиболее загадочной субстанцией, аномальной по всем своим свойствам, благодаря необычайной сложности структуры [Хорн, 1972; Синюков, 1987; Колясников, 1990а].

Рис. 1. Схема процесса полимеризации: внизу - изолированные кремнекислородные тетраэдры верхней мантии (сима), в центре - их цепочка, вверху - плоский фрагмент трехмерного каркаса тетраэдров земной коры (сиаль)   Однако сейчас можно вполне уверенно говорить, что вода ответственна и за образование в недрах планеты магм. Попробуем обосновать эту мысль. Главной структурной единицей твердой оболочки Земли является кремнекислородный тетраэдр размером 0,35 нм, в котором атом кремния окружен по четырем углам ионами кислорода. Верхняя мантия планеты, расположенная на глубинах 100 км и более, сложена существенно оливиновым веществом (ювелирный оливин называется хризолитом), в котором кремне кислородные тетраэдры соединяются друг с другом через промежуточные ионы магния и железа. Земная кора - самая верхняя оболочка литосферы - на 72% веса состоит из полевых шпатов и кварца, в которых все алюмокремнекислородные тетраэдры соединены между собой общими кислородными вершинами. Отсюда чрезвычайно сложный и пока далеко не понятый процесс формирования вещества коры (сиаль) из верхней мантии (сима) можно представить как последовательное объединение названных мономерных структурных единиц в цепочки, ленты, слои и, наконец, в ажурные трехмерные каркасы тетраэдров по типу полимеризации или поликонденсации. Открыв любой учебник минералогии на классе силикатов и алюмосиликатов, можно увидеть изящные картинки этих усложняющихся по мере полимеризации ансамблей кремнекислородных тетраэдров, что имеет место, скорее всего, имен­ но в процессах рождения магм [Колясников, 1988]. На рис.1 поликонденсация изображена очень схематично, но достаточно наглядно. Но даже на этой предельно упрощенной картинке видно, что тетраэдры по мере соединения общими кислородными

вершинами сближаются, а одинаковое их количество занимает все меньший объем, что и приводит к увеличению содержания в породах кремнезема. Действительно, в оливине содержание SiO, не превышает 40% веса, в базальтах его уже 50%, а в гранитах оно достигает 70%. Если учесть еще и алюминий, который замещает кремний в его тетраэдрах, то в гранитах сумма их составит уже 80% веса породы, т. е. в 2 раза больше, чем в мантийном веществе. Рассмотренный эффект контракции, или сжатия, тетраэдрической основы силикатного вещества по мере поликонденсации исходного мономерного оливина в конечные полимеры - каркасные полевые шпаты и кварц - является очень важным в магматической эволюции нашей каменной оболочки. И вот почему: при объединении двух кремнекислородных тетраэдров общей кислородной вершиной должен высвободиться один, становящийся лишним, ион кислорода, который, соединяясь с более сильным ионом водорода (имеются в виду силы электрического взаимодействия ионов), дает в конечном итоге воду. Так, может быть, вся вода нашей гидросферы родилась именно в процессе поликонденсации образующихся магм? Как тут не вспомнить отрывок из крылатой фразы А.С.Пушкина: «вода и камень, лед и пламень...». К выводу об огненном рождении воды в процессах магмообразования склонялись многие наши ведущие геологи. Хотя надо сказать, что существует мнение о привносе воды на Землю в готовом виде кометами, но эта негеологическая гипотеза критики не выдерживает [Колясников, 1988].

Итак, наша обычная вода является, скорее всего, неизбежным продуктом главного в рождении силикатной оболочки Земли и действующего постоянно на протяжении всей ее более чем 4 млрд лет геологической истории процесса полимеризации кремнекислородных тетраэдров (см. рис. 1), который в химических символах можно представить так:

(SiO4)4- + 4H+ = SiO2: + 2H2O.

Учитывая, что львиная доля объема нашей литосферы сложена ионами кислорода, и равное их количество в левой и правой частях приведенной схемы, приходим к очень важному выводу: в процессах поликонденсации происходит не просто уменьшение объема силикатного вещества почти вдвое, а преобразование исходного объема мономера в примерно равные объемы полимера и воды. Более того, причиной самой генерации магм или рассмотренной поликонденсации, исходя из свойств ионов металлов и явно более сильного иона водорода [Краткий...,1977], следует считать именно рождение воды. Суть действия здесь сводится к отрыву протоном иона кислорода от кремнекислородного тетраэдра и вынужденное соединение последнего с соседним, что и есть собственно поликонденсация. Надо только уточнить, что сначала вода появляется в виде гидроксильной группы, поскольку синтез молекулярной воды из Н+ и (ОН)- имеет место лишь при снижении температуры расплавов до 700-600°С [Колясников, 1988], т.е. при образовании уже конечного продукта литосферы - гранитной магмы.

Но наш подход предполагает полное преобразование исходного мантийного мономера в промежуточные цепочки и каркасы тетраэдров в базальтовой магме до конечных полимеров в магмах существенно гранитной земной коры, что очевидно противоречит господствующей на сегодня модели частичного плавления. Согласно ей, при рождении магм исходное вещество некоего промежуточного состава разделяется, грубо говоря, на мономер и полимер. Не правда ли, странное предположение? Тем более, что с ним не согласуется всегда самое раннее выделение из природных магм именно мономерного оливина, который к тому же обычно оказывается реликтовым, или остатком от исходного вещества [Колясников, 1988].

Есть ли веские доказательства реальности полимерной модели? Да, но появились они совсем недавно и по достоинству еще не оценены. Таким критерием может служить установленный в 80-е гг. независимыми данными базальт-океанический феномен Земли, который к тому же свидетельствует о молодости большинства океанов планеты [Белоусов, 1989]. Суть его заключается в том, что за последние 150 млн лет объем океаносферы (имеются в виду и впадины океанов, и вода в них) возрос на 530-580 млн км3 [Рудич, 1984], т. е. почти вдвое, а на дно разрастающихся океанов было излито около 521 млн км3 базальтов плюс 30 млн км3 траппов на континентах [Ронов, 1985]. Принятого в гипотезах частичного плавления максимального содержания воды в магме 3-5% веса, что составляет лишь до 10% объема, явно недостаточно для компенсации установленного бурением углубления и расширения дна океанов. Такой дефицит привел бы сразу к катастрофической регрессии (грубо говоря, к сливу всей воды в центры океанических впадин), губительной для биосферы по последствиям. Это отнюдь не случайное совпадение трех глобальных параметров (объемы впадин океанов, а также излившихся в них воды и базальтов) объяснимо лишь с позиций полимерной модели магмообразования. Оно подтверждается еще тем, что средние глубина океанов и мощность базальтов в них тоже близки (по 4-5 км каждая). Можно даже прикинуть, что при этом переработался слой существенно оливиновой верхней мантии мощностью 8-10 км. Следовательно, базальт-океанический феномен Земли доказывает, что в процессах генерации только базальтовой магмы дна океанов действительно рождается в конечном счете сопоставимое количество воды!

Однако если с «силикатным» источником кислорода, необходимого для рождения воды, мы разобрались, то возникает другой, вполне резонный вопрос: откуда на Земле берется водород - второй компонент воды? Большинство геологов на сегодня уверены в том, что источником его являются недра Земли, точнее, ее ядро [Колясников, 1988], в центре которого давление достигает 3,5 Мбар. Но любознательный читатель может возразить, ведь многие слышали или прочли когда-то, что ядро нашей планеты сложено почти чистым железом. Хотя как раз на этот счет в последние годы появились очень серьезные сомнения: в экспериментах по лазерному термоядерному синтезу с достижением мегабарного давления была открыта уникальная способность водородной плазмы сжиматься до 100 г/см 3 [Басов и др., 1988], что в несколько раз превышает предполагаемую плотность вещества ядра Земли. Так,может быть, ядро нашей планеты сложено самым распространенным в Космосе «солнечным веществом» - гелиево-водороднойи плазмой, но сжатой сверхвысоким давлением до плотности железа [Колясников, 1996]? Многим это предположение, впервые сделанное еще Р. Декартом, кажется более обоснованным, ведь нельзя же в самом деле сравнивать такой сложный астрофизический объект, каким является наша полная загадок Земля, с примитивной доменной печью? Поскольку в сверхсжатой плазме обязательно присутствуют нейтроны [Басов и др., 1988], то при любом снижении давления, например, при некотором расширении Земли (а она «дышит», т.е. пульсирует в объеме, как то предполагал еще Леонардо да Винчи), и нейтроны, и сама бароплазма будут стремиться вырваться из ядра наружу. И обе эти элементарночастичные компоненты дадут в качестве конечных продуктов необходимый для рождения земной воды водород, который глубоко в недрах планеты может существовать лишь в ионизованном состоянии [Колясников, 1988].

Именно участие в процессах рождения силикатных расплавов такого очень энергоемкого водорода объясняет многие загадки магматической геологии. Так, в истории Земли неоднократно и строго периодически, в среднем через 30 млн лет, происходили массовые излияния громадных объемов (миллионы км3) раскаленных лав разного состава, растекавшихся на огромных пространствах по поверхности планеты подобно вскипевшему молоку. Из промышленной технологии близок к этому состоянию продукт процесса псевдоожижения, имеющего место как раз при насыщении расплавленных металлов водородом. Не окажется ли, что и в этом случае, как во многих других, технологами был взят на вооружение еще один патент Природы?

Но для того, чтобы полимеризация в силикатном веществе шла спонтанно, т. е. вроде бы самопроизвольно, в исходное вещество необходимо «впрыснуть» так называемую энергию активации. Насыщение его ионизованным водородом, конкретным носителем этой энергии, приводит к разрыву связей между ионами с образованием электронейтральных кремнегидроксильных тетраэдров Si[OH]JJ, которые, не будучи связанными между собой, обеспечивают аномальную текучесть энергоемких расплавов. В процессе излияния на поверхность такие активированные водородом расплавы начинают неизбежно остывать, и тут-то Природа «включает» универсальный механизм термостатирования экзотермическими реакциями преобразования самого флюида. В связи с этой особенностью природного рождения магм следует напомнить, что среди изверженных пород Земли резко преобладают базальты с температурой в магматическом очаге около 1200 градусов Цельсия и граниты, плавящиеся при 700-650 градусах Цельсия.

Причины такого распределения пока до конца не ясны, но если привлечь к рождению базальтовой и гранитной магм преобразования водородного флюида, то все встает на свои места! Так, рекомбинация ионов водорода в его атомы и далее в молекулы имеет место как раз в интервале температур 1200-1100°С и к тому же сильно экзотермична, т.е. идет с выделением 400 ккал/моль тепловой энергии.

Это предположение прекрасно объясняет неожиданное для экспериментаторов слабое взаимодействие молекулярного водорода с силикатными расплавами [Персиков и др., 1986], поскольку именно так и должен вести себя «выхлопной газ» магматического процесса! Потому и существует реально базальтовый температурный минимум, на котором вся система стабилизируется, термостатируется и приходит в наиболее устойчивое термодинамическое состояние с минимумом для данного уровня Р-Т условий свободной энергии. Точно так происходит формирование гранитной магмы, только термостатирующей в этом случае является уже упоминавшаяся ранее реакция синтеза собственно молекулярной воды, идущая с выделением 60 ккал/моль тепла при соответственно более низких давлении и температуре. Следовательно, в базальтовой магме воды как таковой просто не может существовать, а присутствуют лишь ее компоненты - протоны и гидроксилионы, так сказать, потенциальная вода! Реальная молекулярная вода синтезируется в этом случае за пределами магматического очага, когда температура падает до 700 градусов Цельсия и ниже, т.е. даже вне лавового потока.

В заключение раздела нужно отметить, что полимерная модель магмообразования, довольно просто объясняя суть процессов с участием воды, рождает массу новых вопросов, в том числе из области ядерной физики. Интересующимся проблемой глубже можно рекомендовать более детальное обсуждение ее в наших работах [Колясников, 1988, 1997].

ПОЧЕМУ ВОДА - АНОМАЛЬНАЯ ЖИДКОСТЬ?

Итак, при рассмотрении загадки рождения гранитной магмы мы, наконец, добрались до реальной молекулярной воды, о которой стоит поговорить подробнее в связи с ее аномалиями. Эта так называемая ювенильная вода при 600°С является химически очень агрессивным веществом. Так, она легко растворяет в себе кремнезем, становясь при этом в сущности раствором кремнекислоты H4SiO4 (сравните с магматическими Si[OH]04}. Кроме того, она «вбирает» в себя многие встречающиеся на долгом пути, в том числе в самой магме, полезные компоненты. Такой концентрированный раствор в температурном поле магматического

Граница Красного моря и Индийского океана. Вода в море и в океане, вероятно, находится в разных аггрегатных состояниях

очага отгонялся от расплава и в длительном путешествии в недрах Земли когда-то неизбежно достигал близповерхностной трещиноватой зоны. Резкое падение давления провоцировало его вскипание и одновременное осаждение из него как кремнезема по схеме: H4SiO4 = 2Н2О + SiO2, так и всех полезных компонентов или будущих руд. Кстати, максимальное известное содержание воды в опалах достигает 34%, что близко расчетному (36,4% веса, или 50% объема), и доказывает реальность приведенной схемы. На этой так называемой продуктивной стадии гидротермальных рудных месторождений при температуре около 250 градусов Цельсия и давлении до 50 атм предполагается какая-то серьезная структурная перестройка в самой воде [Гончаров и др., 1987]. Она также сопровождается эффектом термостатирования, обычно связанным, как отмечалось выше, с некой экзотермической реакцией в системе. Но причины этих эффектов пока небыли выяснены, хотя ответственными за них единодушно считаются определенным образом ориентированные водородные (Н-) связи между водными молекулами. Они слабее химических, но сильнее ван-дер-ваальсовских связей. Здесь следует напомнить о самой яркой и загадочной аномалии нашей обычной воды, которая, будь она нормальным гидридом, должна была бы кипеть при -70°С, а замерзать даже при -95°С! Однако резко сдвинутый вверх и аномально растянутый на 100 градусов (вместо 25°) интервал существования жидкой фазы

может быть обусловлен только тем, что в свободной уже воде просто нет Н2О, о чем некоторые исследователи догадывались уже давно. Вероятнее всего, как раз на продуктивной стадии, при разделении горячей кремнекислоты на чистые воду и кремнезем, молекулы Н20 объединяются в какие-то более тяжелые и крупные ассоциаты. Иначе уже при комнатной температуре вода, несмотря на наличие Н- связей между ее молекулами, должна была бы немедленно испариться, а наша планета потерять жидкую гидросферу навсегда, со всеми вытекающими отсюда явно трагическими для Жизни последствиями. Но не будем торопиться с выводами и обратимся к истории проблемы.

В поисках тайны строения обыкновенной воды

Несмотря на очевидную важность проблемы структуры жидкой воды, «...до сих пор не достигнуто понимание ее даже в обычных условиях» [Горбатый, 1986]. Достаточно сказать, что этой проблемы так или иначе касались все выдающиеся физики и химики. В настоящее время существует более 20 обоснованных моделей, но ни одна из них не может объяснить ее аномалии, передать свойства воды и ее структуры в их совокупности [Эйзенберг, Кауцман, 1975; Вода..., 1985; Синюков, 1987; Белая, Левадный, 1988; Антонченко и др., 1991]. Отсюда несомненно следует, что структура воды - одна из сложнейших проблем современной науки. Этот вывод, тем не менее, никак не вяжется с удивительной простотой ее состава, выражающегося в символах элементов предельно примитивно - Н2О! Знаменитая формула стала известной с 1783 г., когда Г. Кавендиш в Кембридже и А. Лавуазье в Париже, сжигая водород в кислороде, получили воду, которая до того считалась элементарным веществом. Но выдав более 200 лет назад простоту химического состава, вода сыграла с человечеством потрясающую шутку, скрыв при этом и скрывая до сих пор невероятно динамичную и загадочную свою структуру.

История ее исследований насчитывает более 100 лет и начиналась с гидрольных теорий, где признавалось наличие в жидкой воде двух фаз: мономерных молекул (гидроли, гидроны) и их ассоциатов, число молекул в которых оценивалось произвольно. Так появлялись ди-, три-, тетра- и прочие полигидроли. Сейчас их количество в некоторых моделях возросло на порядок [Овчинников, Масалович, 1981]. Как считает В.В.Синюков [1987], двухструктурная модель оказалась наиболее совершенной из всех выдвинутых на раннем этапе и популярна до сих пор.

С открытием рентгеновских лучей и развитием рентгенеструктурного анализа уже в нашем веке начался второй этап исследований структуры воды. Первые же работы П. Дебая показали, что жидкая вода ближе по своей структуре к твердым телам, а не к газам, как то предполагал Ван-дер-Ваальс, поскольку в размещении молекул воды явно прослеживалась некоторая регулярность - ближний порядок, характерный для твердых тел. Первая рентгенограмма воды была получена в 1922 г. и отражала только положение атомов кислорода со средними расстояниями между ними 0,28 нм. В конце 20-х гг. была определена тетраэдрическая координация молекул в структуре льда, где каждая молекула окружена четырьмя другими. Но только в 1933 г. удалось установить, что главным виновником аномальных свойств воды являются направленные Н- связи, которые играют важную роль и в химии органических соединений. На этой основе Дж. Бернал и Р. Фаулер построили принципиально новую модель структуры жидкой воды, исходя из «однобокого» расположения протонов внутри электронного облака иона кислорода, определяющего сильный электрический момент молекулы воды. Выяснилось, что структура воды обусловлена распределением зарядов самой молекулы Н2О по углам тетраэдра (рис. 2).

Рис. 2. Асимметричная молекула Н2О в различных вариантах изображения, по Н. Бьерруму, н тетрамер Н8О4 в проекции на плоскость (справа)   Итак, уже в 1933 г, было показано, что структура жидкой воды образована посредством Н- связей, определяющих тетраэдрическую конфигурацию как самих молекул воды, так и их взаиморасположение. Дж. Бернал и Р. Фаулер построили свою теорию структуры воды и преобразований в ней с изменением температуры, сравнивая ее с тетраэдрической структурой типа кварца разных модификаций. При температуре свыше 200°С Н-связи разрушаются, и молекулы воды образуют плотную упаковку. С тех пор было предложено множество структурных модификаций воды, в основе которых так или иначе оставалась старая идея двухструктурной модели или модели двух состояний, которая оказалась очень плодотворной, объясняя многие аномалии воды в интервале 0-100°С.

В 1954 г. американские исследователи А. Смит и А. Лоусон, определив энергию Н-связи почти вдвое меньшей (2,6 ккал/моль против 4,5 у Л. Полинга), предположили, что для Н-связей скорее характерен не разрыв, а изгиб, который был предложен еще в 1933 г. английским химиком Дж. Леннард-Джонсом и в 1951 г. - Дж. Топплом. Идея оказалась весьма оригинальной и, по мнению В.В. Синюкова [1987], заслуживает самого широкого обсуждения. Кстати, аномально большая скорость звука в воде (в 4 раза больше, чем в воздухе) легко объяснима прохождением его колебаний по непрерывной системе Н-связей, а такое без их изгиба принять невозможно (в противном случае получается структура льда).

Л. Полинг в I960 г. создал ставший сейчас снова популярным вариант модели двух состояний, в котором одна структура состояла из каркасных молекул с разветвленной сетью Н-связей (додекаэдров), а другая - из свободных молекул, заполняющих полости каркаса. Близкая двухструктурная модель была предложена у нас О.Я. Самойловым. На основании электронографических исследований немецкий ученый Г. Рот считал, что в воде присутствуют особо стабильные ассоциированные группы из 4, 6, 8 молекул воды и т.д. Этой идеи придерживался и У. Брэгг. Г. Фрэнк и В. Вэн рассмотрели кооперативный характер Н-связей, предполагающий их групповое образование и разрушение. Наконец, новейшая перколяционная теория Х.Г. Стэнли и Дж. Тейксейры считает, что четырежды связанные молекулы воды сильно коррелированы и формируются в небольшие тетраэдрически организованные группы, образующие, в свою очередь, бесконечный кластер Н-связей. Как полагает Ю.Е. Горбатый [1986], тетраэдрические конфигурации должны быть наиболее жестким звеном структуры воды, а аномальные свойства воды суть лишь количественные следствия изменения, или предпочтительных флуктуации, этой самой структуры.

Последние результаты экспериментов по компьютерному моделированию показали, что молекулярную структуру воды надо рассматривать как единое целое в любом ее объеме, в котором всегда найдется по крайней мере одна непрерывная цепочка Н-связей. пронизывающая весь объем, например, Мирового океана, т.е. опоясывающая наш земной шар [Белая, Левадный, 1988]! И опять же локально эта сеть стремится к тетраэдрическим конфигурациям разного ранга.

Приведенный выше краткий обзор прошлых и существующих идей и представлений о структуре жидкой воды можно, образно говоря, подытожить компьютерной ее моделью, которая предполагает симбиоз всех мыслимых состояний этой уникально-аномальной жидкости, включая обязательное наличие собственно молекул Н20. Попробуем, имея в виду все выше перечисленное, рассмотреть структуру жидкой воды с точки зрения земного эндогенного происхождения нашей гидросферы, к чему мы пришли в первом разделе.

Структура жидкой воды глазами геолога

Автор уже давно пытался на кристаллохимичсском уровне обосновать утверждение геологов В.И. Вернадского, Д.С. Белянкина, И.В. Белова о том, что «вода рождается в магме», причем в количествах, соизмеримых с объемом самого силикатного расплава [Колясников, ! 988]. Образование магматической воды всегда было сопряжено с поликонденсацией кремнекислородной основы вещества литосферы, в ходе которой высвобождался «силикатный» кислород. Полимеризации предшествовал не менее важный процесс гидрогенизации силикатных структурных единиц с образованием мономерных кремнегидроксильных тетраэдров Si[OH]04, в которых группа (ОН) до начала процесса, вопреки распространенному мнению, еще не есть вода. По крайней мере, в высокотемпературных гидротермальных растворах основной формой растворенного кремнезема считается именно эта мономерная структурная единица [Гончаров и др., 1987].

Ледник на Шпицберегене. С ледника в море течет поток "живой" воды

Поликонденсация двух кремнегидроксильных тетраэдров сопряжена с экзотермичным образованием четырех молекул воды по схеме: 2Si[OH]4 = 4Н2О + 2SiO2. Причем, учитывая большую электроотрицательность протона, нежели иона кремния [Краткий..., 1977], первичным следует считать именно рождение молекул воды (также как в магматическом очаге - гидроксила). Каждый гидроль представлял собой в прошлом силикатный ион кислорода, которых и в кремнегидроксильном тетраэдре четыре. Поэтому при избытке в постмагматическом флюиде мономерных форм кремнезема, что неизбежно до начала полимеризации кремнегидроксильных тетраэдров [Блох, 1969], молекулам воды пространственно и энергетически было выгодным принимать удобную тетраэдрическую конфигурацию. Эта мысль подкрепляется экспериментальными данными по получению суперконцентрированного расплава-раствора кремнезема с его содержанием в капиллярной воде до 0,9 г/см3 [Спицын и др., 1972] и предполагающейся до сих пор способностью воды «помнить» свое прошлое [Блох, 1969]. Таким образом, ювенильная вода, будучи в первичных растворах тесно связанной с кремнегидроксильными тетраэдрами, наследует от главной структурной единицы литосферы - кремнекислородного тетраэдра [SiO4]4- - его конфигурацию в виде тетрамера H8O4. Но внутренняя асимметричная замкнутость большинства Н-связей четырех молекул воды в такой структурной единице и является причиной их собственной асимметрии (см. рис. 2, 3).

Подобное несуразное и очевидно неустойчивое положение протонов в одиночной молекуле воды не могло возникнуть само по себе и свидетельствует о наличии какой-то внутренней причины. Более того, сам тетраэдрический угол между протонами наталкивает на мысль о вероятном объединении четырех неустойчивых молекул воды в их тетрамер, когда протоны в каждой из них были вынуждены приобретать асимметричное расположение и именно с гетраэдрическим углом между двумя протонными концами внешних H-связей тетрамера (см. рис.2). Потому так сложно было объяснить угол в мономолекуле авторам идеи! Но ум человека настолько изощрен, что всегда находит выход из, казалось бы, безвыходной ситуации.

Рис. 3. Кремнекислородный тетраэдр (слева) и тетрамер воды (справа). Большие круги - ионы кислорода. В тетрамере: черные кружки - протоны, сплошные линии - протонные концы водородных связей, точечные линии - электронные концы этих же связей Вполне возможно, что все известное сейчас о структуре воды и ее элементарной единице - молекуле - относится именно к тетрамеру. Ведь все внутритетрамерные Н-связи располагаются по отношению друг к другу в сторонах равносторонних треугольников под углом 60°, а тетраэдрический угол 105° имеют только внешние связи тетрамсра. Отметим некоторые важные особенности тетрагидролей. Тетрамер воды обладает таким же электрическим диполем, что и одна изолированная асимметричная молекула (если она вообще им обладает!), а его внешние Н-связи ослаблены в сравнении с ней вчетверо. Примечательно совпадение расстояний между центрами полимеризованных кремнекислорсдных тетраэдров с таковым между молекулами в тетрамере воды и с длиной Н-связи (около 0,28 нм), что является еще одной причиной аномальности воды, отсутствующей, например, уже у гидрида серы, имеющей больший ионный радиус.

Совпадение размеров делает тетрамеры воды своеобразными гомологами кремнекислородных тетраэдров. Особенно важно то, что в обоих случаях тетраэдр сложен ионами кислорода; просто в процессе поликонденсации кремнекислородных тетраэдров они из «силикатных» стали водными, унаследовав от прошлого состояния тетраэдрическое взаиморасположение. Другими словами, вода также должна обладать тетраэдрической структурой с более сильными связями между четырьмя ее молекулами потому лишь, что родилась она в симбиозе с кремнеземом.

Синтез имеющихся на сегодня эмпирических и экспериментальных данных по структуре воды позволил создать новую, политетрамерную, ее модель [Колясников, 1990а]. В ней, как было отмечено выше, предполагается отсутствие молекул Н2О во всем аномально растянутом и сдвинутом вверх температурном диапазоне существования жидкой фазы, что, в свою очередь, объясняется участием в качестве «молекулы» воды более тяжелого тетрамера H8O4. Именно эта структурная единица в поисках разгадки структуры воды всплывала наиболее часто [Синюков, 1987].

Итак, ответственными за все аномальные свойства воды признаны Н-связи, соединяющие между собой полярные, т.е. диэлектрически заряженные молекулы воды, каждая из которых имеет по 2 положительных (протонных) и 2 отрицательных (электронных) конца H-связей. Так вот, в тетрамере 12 из 16 концов связей кооперативно замкнуты вовнутрь (см. рис.2), что определяет его уникальную прочность и сильную сжатость, и только четыре связывают тетрамер с соседними. Действительно, каждая молекула воды окружена четырьмя другими, с чем связана наиболее популярная модель жесткой тетраэдрической их конфигурации. Однако новый подход выявил принципиальную неравнозначность соединяющих молекулы воды Н-связей, три из которых принадлежат внутритетрамерному кооперативу, а четвертая задействована на соединение с соседним тетрамером. Эта особенность Н-связей молекулы Н2О, определяющая во многом ее аномалии и уникальность структуры, до сих пор не замечалась. Следовательно, только одна из четырех строго ориентированных Н-связей молекулы воды может под воздействием вчетверо более тяжелого тетрамера «надламываться» (плавление льда), изгибаться до 12° (нагрев идеального полимера с искаженной структурой льда до 4°С) и лишь потом рваться (дальнейшее доведение воды до кипения). Разгадка «пения» воды задолго до вскипания объясняется тем, что при 60-80°С идет постепенное разбиение уже фрагментов объемного политетрамерного каркаса на одиночные тетрамеры и их цепочки. В связи с этим высвобождаются и резко, рождая звук, расширяются сжатые до того в каркасе микропузырьки растворенного в воде воздуха!

Ледники на севере Гренландии стекают с плато в море

При 100 градусах в кипящей воде происходит единовременный разрыв всех шести кооперативных прямых Н-связей уже одиночных тетрамеров, иначе говоря, очень теплоемкий их распад на истинные мономолекулы. Но, вылетая из кипятка, они тут же объединяются снова в тетрамеры пара, известная обжигающая способность которого прямо связана с выделением только что затраченной на кипение тепловой энергии. Так что видимый пар над кипятком - это уже тетрамсрная микрокапельная вода, а собственно молекулы Н2О, будучи вообще на нашей планете исключительно эфемерной субстанцией, существуют лишь вбурляще-кипящей воде и буквально мгновения, до момента вылета их из кипятка, т.е. за пределы изотермы 100°С! Отсюда следует, что тетрамеризация является наиболее важным свойством воды, обеспечивающим ее удержание на поверхности планеты, а стало быть, и существование самой Жизни. Отношение суммы теплот плавления льда (80 кал/г) и нагрева воды до 100°С (100 кал/г) к теплоте ее испарения в точке кипения (540 кал/г) строго отражает пропорцию меж- и внутритетрамерных концов Н-связей, равную 4:12, и является прямым доказательством истинности модели. Важно то, что предложенная динамичная концепция объясняет все аномальные свойства воды, в частности, однозначно отвечает на вопрос: почему температура нашего тела колеблется около 37°С. Согласно новой модели, в этой точке разорвана ровно половина межтетрамерных Н-связей, что обеспечивает только в ней равновероятность течения в обе стороны обратимых биохимических реакций в организме, регулирующем их направление микроградиентами температуры.

При 4°С Н-связи между тетрамерами максимально изогнуты, чем обусловлена максимальная же плотность воды в этой точке, и приобретают еще одну степень свободы - осевое вращение (наглядный пример - вбитые в стену прямой и загнутый гвозди). С этой особенностью связана аномально низкая вязкость воды, несмотря на отсутствие в интервале 0-4°С, согласно модели, разорванных Н-связей. Так что подавляющий объем земной океаносферы, вода которой имеет среднюю температуру 3,7°С, представляет собой глобальный соленый полимер таких тетрамеров (одна гигантская молекула, по И.В. Петрянову-Соколову, или еще образнее - единый жидкий кристалл, подобный квантовой жидкости).

Кроме того, модель предполагает, что во льду роль молекул играют тоже сжатые тетраэдры из четырех тетрамеров (тетратетрамеры), все межтетрамерные Н-связи которых прямые, но с началом плавления они начинают изгибаться. Аномально большая теплота подготовки к изгибу прямых скооперированных межтетрамерных Н-связей льда при его плавлении (80 кал/г) обеспечивает длительное сохранение в талой воде фрагментов структуры льда. В то же время в охлаждающейся воде они отсутствуют вплоть до 0°С, что обеспечивает легкий переход в минусовое метастабильное состояние без замерзания. Отсюда различие сходных структур воды в интервале 0-4°С и льда состоит лишь в изогнутости межтетрамерных связей в воде!

Любое внешнее воздействие на воду, например, сильного магнитного поля, вызывает образование в ней долгоживущих «айсбергов» с прямыми межтетрамерными Н-связями. Такая интерпретация объясняет близость чудодейственных свойств талой и омагниченной воды, где кластеры с ледяной структурой могут служить матрицей, облегчающей функционирование сложных биохимических систем внутри живых организмов. Попробуем далее оценить возможности нового подхода к структуре воды на разнообразных жгучих проблемах земной гидросферы и особенно - в происхождении Жизни на нашей планете. Но начнем с грозы.

Читать продолжение