Версия для печати
Вернуться к списку

Ученые выявляют роль водных растворов как среды жизнедеятельности биологических систем

В конце ноября под эгидой международного года фундаментальной науки в Президиуме Российской академии наук прошла конференция, посвящённая физике водных растворов.

Иван Щербаков: В 2023 году конференция по физике водных растворов должна найти развитие

За три дня мероприятия были представлены доклады более 100 исследователей из семи стран. Конференция явилась свидетельством того, что в России, да и во всем мире, растёт интерес к изучению фундаментальных свойств водных растворов, являющихся средой жизнедеятельности биологических систем.

"РГ" взяла интервью у академика РАН Ивана Александровича Щербакова - советского и российского физика, советника Президиума РАН, научного руководителя Института общей физики им. А. М. Прохорова РАН, профессора, заведующего кафедрой лазерных систем и структурированных материалов Московского физико-технического института.

Иван Александрович, конференция проходит в пятый раз, какие тенденции развития в исследовании водных растворов вы могли бы отметить?

Иван Щербаков: Да, в ноябре прошла пятая по счету конференция "Физика водных растворов". На мероприятии присутствовали участники первой конференции, которые прекрасно помнят, с чего все начиналось. Основной темой тогда было обсуждение того, что происходит с водными растворами при многократных разбавлениях. Здесь необходимо вспомнить химика академика Александра Ивановича Коновалова, давшего толчок к развитию этого направления. Существовала концепция некого нового состояния жидкости, когда неизмеримо малые концентрации изменяют ее свойства. С точки зрения физики эта концепция не выдерживала никакой критики, но эта критика была совершенно неконструктивной. Если не сказать больше. Было крайне критическое выступление одного уважаемого академика-физика на заседании Президиума РАН. После возникшей дискуссии президент РАН поручил мне разобраться в этом вопросе.

Расскажите о ваших работах в области физики водных систем. В одной из недавно опубликованных работ вы сообщали о существовании некоторого "критического" числа разбавлений, после которого концентрация растворенного вещества перестает снижаться. С чем связан подобный эффект?

Иван Щербаков: В Институте общей физики им. А. М. Прохорова РАН была создана неформальная группа, которая начала заниматься этой тематикой. По инициативе группы и была организована конференция, ставшая ежегодной. В результате серии докладов, сделанных на первой конференции, было установлено, что при достижении некоторого числа разбавлений концентрация примеси в разбавленном растворе перестает снижаться, оставаясь равной концентрации примесей в растворителе. Возможность обнаружения этого критического числа разбавлений определяется чувствительностью метода регистрации концентрации примесей. Сейчас этот вывод уже кажется абсолютно очевидным. Его можно сформулировать и более экстравагантным образом: воды, как таковой, в природе не существует. Это всегда водный гетерогенный раствор, представляющий собой неравновесную субстанцию с большим числом различных примесей. Данная особенность делает водный раствор одним из самых сложных объектов исследования. Необходимо очень тщательно следить за возможным изменением свойств исследуемого объекта за время эксперимента. Таким образом, была опровергнута концепция существования неизмеримо малых содержаний вещества, влияющих на свойства раствора.

Далее было выявлено влияние внешних воздействий на состояние водного раствора. Дело в том, что процедура разбавлений часто сопровождается некой дополнительной технологической обработкой: воздействием магнитного поля или механическим воздействием, например вибрационным. Было установлено, что при этом происходит увеличение концентрации активных форм кислорода и, в частности, пероксида водорода. Все эти компоненты, определяющие неравновесность системы, являются сильными окислителями и могут оказывать значительное влияние на биологические объекты.

В России, да и во всем мире, растет интерес к изучению фундаментальных свойств водных растворов

Влияние постоянного магнитного поля на водный раствор является достаточно очевидным. Магнитное поле снимает квантовый запрет на запрещенный триплет-синглетный переход в молекулах кислорода, участвующего в цепочке физико-химических радикальных реакций, тем самым изменяя состав раствора. Сложнее дело обстоит с механическим воздействием. Сделан вывод о том, что для адекватной интерпретации обнаруженного эффекта репродукции активных форм кислорода в водных растворах при механическом воздействии требуется привлечение гидродинамических подходов, а также фундаментальных законов классической и квантовой механики. Был предложен ряд возможных механизмов протекания данного процесса. Какой из них является определяющим - должно быть выявлено в будущем. Возможно, мы имеем дело с эффектом влияния механического воздействия на состояние квантовой системы.

В вашем докладе вы рассказываете об исследовании водных систем в приложении к системам биологическим. Не могли бы вы подробнее рассказать об этой роли водных растворов?

Иван Щербаков: Здесь будет уместно сделать короткое отступление. Эффект генерации пероксида водорода в водном растворе при механическом воздействии был опубликован нашей группой в мае 2019 года. В августе 2019 года аналогичный результат был опубликован группой ученых из Стэнфорда, который был озвучен как один из наиболее важных результатов, полученных за последнее время. Сделано предположение, что пероксид водорода, генерирующийся при ударах капель дождя о твердые предметы, может определять сезонность инфекционных заболеваний.

Оказалось также, что этим роль пероксида водорода в жизнедеятельности биологических объектов не ограничивается. Установлено, что хронические заболевания сопровождаются увеличением содержания пероксида водорода на клеточном уровне. К таким заболеваниям относятся расстройства органов дыхания, сердечно-сосудистой системы, органов пищеварения, а также онкология, болезни Паркинсона и Альцгеймера.

В ряде работ, результаты которых были представлены на последней конференции, была проанализирована сложившаяся ситуация. В результате можно сделать следующие выводы. Пероксид водорода - ключевой участник нормальных и патологических процессов в живых организмах. Его содержание в организме определяется балансом окислительно-восстановительных процессов. Существуют оптимальные концентрации пероксида водорода, обеспечивающие нормальное функционирование организма. При меньшем его содержании организм оказывается ослабленным по отношению к инфекционным заболеваниям. При его повышенном содержании происходит уничтожение здоровых клеток и развитие различных патологий. Таким образом, становятся актуальными разработка и совершенствование методов анализа содержания пероксида водорода в организме. Оценка может проводиться посредством анализа биологических жидкостей и выдыхаемого воздуха пациента. В случае жидкостей может быть применена методика хемилюминесценции. Для анализа содержания пероксида водорода, наряду с другими молекулами в составе выдыхаемого воздуха могут применяться методы диодной лазерной спектроскопии.

Среди других передовых методов исследования водных растворов, о которых шла речь на конференции, следует отметить методику терагерцового диапазона электромагнитного излучения. Сообщалось о разработке приборов для офтальмологии и определения состояния человека по его портрету в терагерцовом диапазоне спектра.

Следует также отметить создание в МГУ уникального широкополосного магнитно-резонансного томографа, используемого в том числе и для исследования водных растворов.

Иван Александрович, а что сегодня необходимо ученым, занятым в изучении водных систем для того, чтобы перейти от фундаментальных исследований к прикладным?

Иван Щербаков: Мой учитель, академик, нобелевский лауреат Александр Михайлович Прохоров говорил, что никакой четкой границы между фундаментальной и прикладной наукой нет, есть просто качественная наука, и любой фундаментальный результат рано или поздно найдет свое приложение. Начало фундаментальных исследований, имеющих непосредственное отношение к созданию лазера, можно условно отнести к тридцатым годам прошлого века. И только в 1960 году создан первый лазер на кристалле рубина. Это событие следует трактовать как экспериментальное подтверждение возможности получения когерентного излучения в оптическом диапазоне за счет эффекта вынужденного излучения. Ни о каком практическом применении этого лазера речь не могла идти. Далее следовало бурное развитие идеи мазерно-лазерного эффекта, за открытие которого Н.Г. Басову, А.М. Прохорову и Чарльзу Таунсу была присуждена Нобелевская премия.

В результате сегодня окружающий нас мир трудно себе представить без лазеров, без оптической связи, интернета, мобильных телефонов. А в основе всех этих технологий лежат фундаментальные результаты оптики, спектроскопии, физики твердого тела. Квантовая электроника могла появиться и появилась только в результате симбиоза фундаментальных результатов оптики и радиоспектроскопии. В истории науки можно найти массу подобных примеров. Не являются исключением и результаты, полученные в рамках наших конференций. Они уже сейчас находят применение в медицине и технологиях. Не сомневаюсь, что они и в дальнейшем будут востребованы наукой о живой и неживой природе. Человек на 80 процентов состоит из воды. Большая часть земной поверхности покрыта водой. А как мы знаем, это не просто вода, это водный раствор.

Оказывает ли конференция влияние на траекторию развития исследований свойств водных систем?

Иван Щербаков: Очевидно, что наука о водных растворах является междисциплинарной. В ней участвуют физики, химики, биологи, медики. Все они изъясняются на разных языках, зачастую плохо понимаемых коллегами из других областей знаний. Конференция "Физика водных растворов" призвана как минимум облегчить эту проблему.

В заключение хочу выразить надежду, что в 2023 году, как и в последующие годы, конференция найдет свое развитие.