Экспериментально найдено, что вода ведет себя вблизи поверхностей кристалла слюды не как вода, а как «жидкий лед», и зависимость ее диэлектрической постоянной от частоты сходно с соответствующими характеристиками льда. Толщина этих слоев около 1 мкм. Стало быть, достаточно воде проникнуть в теснины, будь то пара листочков слюды электрического конденсатора или полости клетки (средний размер клетки 10 мкм), как она упорядочивается и приобретает свойства кристалла. Теоретическое объяснение этому дали Басуэлл и Роденбуш. Они показали, что способностью структурировать воду обладают не только хорошо растворимые вещества, что было известно и ранее, но и слаборастворимые, неактивные вещества, которые никаких связей с водой не образуют. При растворении невзаимодействующих с водой молекул силы, действующие на молекулы воды в близлежащем слое, не будут скомпенсированы, внутреннее давление в граничном с противолежащей молекулой слое воды будет мало по сравнению с огромным внутренним давлением воды. При понижении давления температура замерзания воды понижается, вследствие чего слой граничной воды замерзает, кристаллизируясь в так называемые айсберги. Как установлено, любые поверхности обладают способностью упорядочивать воду на расстоянии до нескольких микронов.
Недавно в печати появилось сообщение об открытии аномальной формы воды, которую тотчас же стали именовать «супервода». Исследование способа ее получения и свойств во многом оказалось поучительным. На рисунке 8 показан прибор для получения такой воды.
Puc. 8. Прибор для получения супер-воды
При откачке сосуда Дьюара 1 вода из пробирки 2, помещенной в термостат Э, испаряется и конденсируется на стеклянных стенках сосуда, а также внутри кварцевого капилляра 4, введенного в сосуд Дьюара. Конденсат суперводы собирается в капилляре. Вода, конденсирующаяся на стенках сосуда, аномальных свойств не имеет.
Супервода не замерзает даже при минус 100 °С, на 40% плотнее обычной воды имеет повышенную (в 15 раз) вязкость и очень низкую летучесть. Свою аномальность супервода сохраняет лишь до температуры 700 °С, при нагревании до 900-1000 °С она превращается в нормальную воду. Однако до 700°С супервода при нагревании и охлаждении, длительном хранении не теряет необычных свойств.
Дальнейшие исследования спектров этой аномальной воды с помощью инфракрасного метода и метода ядерного магнитного резонанса показали, что она представляет собой полимер, получающийся при объединении молекул воды в гексагональные кольца, которые, нанизываясь друг на друга, образуют длинные цепочки. Отмечено также, что для этого процесса требуется катализатор -кварц. Во всех полученных до сих пор образцах «поливоды» имелись растворимые примеси, присутствием которых можно объяснить многие из ее аномальных свойств. Измерение диэлектрической постоянной и эффективной параллельной проводимости образцов аномальной воды приводит к выводу, что она, кроме того и гидрозоль, содержащий тонко раздробленные материальные частицы, взвешенные в обычной воде. Сканирующая электронная микрография подтверждает присутствие таких частиц. Эти новые экспериментальные данные дают однозначное объяснение свойств аномальной воды: как разновидность воды она не существует, а сводится к тому, что вода в тонком слое у кварцевой стенки приобретает структуру и даже какие-то свойства кварца.
Свойства суперводы описаны для того, чтобы этим примером дать представление о том, какой необычной может становиться обычная вода в теснинах клеточных лабиринтов. Мы говорили о структурности воды, пользуясь в основном неорганическими представлениями, с тем, чтобы попытаться по ним судить о механизме кристаллизации воды в клетке. В действительности, взаимодействие молекул воды в биологических системах слишком сложно, чтобы его можно было изобразить простыми моделями. Все же попытаемся отметить хотя бы некоторые особенности на уровне клетки, каксающиеся структурности воды.
При исследовании процесса изменения структуры воды, индуцируемой микромолекулами, диэлектрический метод оказался более чувствительным, чем метод протонного магнитного резонанса. Однако растворы высокой электропроводимости изучались по-прежнему резонансным методом, так как диэлектрический к ним неприменим. Найдено, что молекула ДНК в ориентирующем потоке может упорядочивать воду на расстоянии до 1000 ? от поверхности макромолекулы, т.е. диаметр области упорядоченной воды, порядка 1/4 длины макромолекулы.
Способность упорядочивать в значительной степени зависит от структуры поверхности макромолекулы, от конфигурации атомов. Чем более эта конфигурация подобна решетке льда, тем сильнее выражена упорядочивающая способность поверхности. Огромное упорядочивающее влияние ДНК объясняется тем, что форма ее спирали идеально вписывается в решетку льда. Однако это влияние в большей мере зависит не только от формы макромолекулы, но от расположения в ней групп, способных образовывать водородные связи. С этим же связана растворимость макромолекул в воде. Если число водородных связей, которые могут быть образованы между поверхностью макромолекулы и водной решеткой, мало по сравнению с числом связей между макромолекулами, то вещество нерастворимо, и наоборот.
Электролиты самым непосредственным образом могут вызывать структурные изменения в клетках. Так, например, давление электролита производит сжатие молекулы ДНК, в результате чего спираль уже не подходит к структуре льда и оболочка упорядоченной воды сильно уменьшается. Упорядоченность структуры внутриклеточной воды представляет собой ее наиболее устойчивое состояние в условиях клетки и вполне соответствует термодинамическим представлениям.