Бесплатный фрагмент - Фуллерен, вода, долголетие

Предисловие

Темпы развития науки и технологий сейчас колоссальны, стремительно меняются не только наши знания, но и мир вокруг нас. Трудно себе представить, как чувствовал бы себя человек недалёкого прошлого в нашем сегодня. Вероятно его нервная, эндокринная и иммунная системы — эти форпосты нашего здоровья, испытывали бы чрезвычайные нагрузки на грани выживания. Сегодняшние темпы прогресса ставят отнюдь не праздный и в тоже время парадоксальный вопрос: Хватит ли у человечества запаса прочности, чтобы выжить и не деградировать в будущем?

Поэтому любая попытка остановится, оценить полученные научные данные с точки зрения пользы или опасности, сопоставить с прошлыми знаниями, чрезвычайно необходимы. Автор, представленной на ваш суд книги, излагает серьёзные научные проблемы, связанные с миром нанотехнологий. В увлекательной научно-популярной форме в книге представлена объёмная информация об открытии, происхождении, свойствах и участии в эволюционных процессах удивительной молекулы фуллерена. Наверное, не является секретом, что для многих из нас даже название «фуллерен» будет новостью, не говоря уже о «личностных» особенностях этой аллотропной формы углерода.

Мне как биологу, далеко не безразлично увеличение количества наноразмерных соединений в окружающей нас среде. Современная наука пока не располагает достаточными сведениями о биобезопасности этих новых элементов нашей экологии. В этой связи, выдвигаемый автором тезис о фуллеренах, как о естественном факторе среды обитания, говорит в пользу использования данного вещества и выгодно отличает фуллерены от других искусственно созданных наноразмерных частиц. А представленные автором сведения о наличии у гидратированного фуллерена адаптогенных свойств, даёт надежду, что фуллерен будет союзником человека при выживании в нашем быстро меняющемся мире.

Отдельно следует коснуться стиля изложения книги. Автору, на мой взгляд, удалось в живой, увлечённой и достоверной форме представить материалы о молекулах углерода. Читая данную монографию, я вспомнил книгу канадского писателя Фарли Моуэта «Не кричи: „Волки!“». Эти два произведения объединяет друг с другом любовь к изучаемому предмету и искренность в желании докопаться до истины. Авторы идут к своей цели, не боясь расхождений в оценках по данной проблеме с точкой зрения научной общественности.

Должен признаться, что я не вполне разделяю взгляды автора по вопросам о происхождении жизни на Земле. Однако, мне кажется, что изучение биологических свойств фуллеренов может быть тем инструментом, который поможет ответить на основной фундаментальный вопрос биологии: В чём различие живой и неживой материи?

В заключение мне хотелось бы вспомнить известную историю открытия закона всемирного тяготения. Когда падающее яблоко ударило по голове сэра Исаака Ньютона, он испытал некоторую досаду, однако в дальнейшем это послужило к озарению и открытию им фундаментального закона физики. Искренне надеюсь, что данная книга послужит тем «яблоком», которое поможет преодолеть некоторый скепсис и недоверие к фуллеренам в существующем научном сообществе. Также я думаю, что представленный обширный научный материал может послужить толчком для развития исследований в области безопасных нанотехнологий.

Виктор Чижевский,

Институт проблем криобиологии и криомедицины НАНУ, заведующий лабораторией, старший научный сотрудник, chizhevskiy@ukr.net.

Секрет родниковой воды

В легендах и мифах народов мира есть упоминания о воде, которая дарит здоровье и долголетие. Вблизи родников с лечебной водой построены SPA-курорты и санатории. Врач, назначая лечение, обязательно предупреждает о том, что воду нужно пить в бювете. В течение часа вода теряет свои лечебные свойства. Почему это происходит и как их сохранить и усилить, стало понятно благодаря последним научным открытиям.

Вода отличается от других жидкостей. Таких отличий у воды более шестидесяти. Эти отличия называют аномальными свойства воды, и они бесценны для жизни на Земле. Именно они определяют климат, океанские течения, высоту деревьев, замерзание водоёмов, температуру тела человека и многое, что формирует нас и облик нашей планеты.

Долгое время вода считалась набором не упорядоченных молекул. Воду сравнивали с дискотекой, где «пляшут» молекулы воды. Чем выше температура воды, тем более энергичными становятся танцы. Исследования, проведённые учёными США, Японии и Швеции показали, что эти представления ошибочны. Облучение чистой воды рентгеновским излучением на синхротронах выявили в воде две структуры: упорядоченную и неупорядоченную. Упорядоченная структура присутствует даже в очень горячей воде, вплоть до температуры кипения.

Объясняя полученные результаты, один из авторов данной работы, профессор Стэндфордского университета Андерс Нильсон, сравнил воду с рестораном, в котором часть посетителей танцует, а часть отдыхает за столиками, образуя упорядоченные структуры. Это позволило объяснить аномальные свойства и понять механизм образования лечебной воды.

Упорядоченные структуры воды называют сферическими водными кластерами. Их образуют сотни молекул воды. Через миллионные доли секунды они распадаются и образуются вновь, подобно мерцающим огонькам. В очень чистой воде такие кластеры не стабильны. Могут ли примеси в воде стабилизировать их, сохраняя их природные структуры?

Обычно твёрдые примеси в воде имеют неправильную форму. Они не могут стабилизировать сферические кластеры, не нарушив их форму. Это могут сделать пузырьки газов, растворённых в воде. Компьютерное моделирование водного кластера показывает, что в его центре есть полость диаметром менее одного нанометра. Если в воде есть пузырьки с таким диаметром, они могут стабилизировать природные кластеры воды. Такие кластеры не будут распадаться, вода станет лечебной.

В закрытой бутылке с газированной водой пузырьки не видны. При открытии бутылки пузырьки увеличиваются и лопаются. Похожие процессы идут в родниковой воде при её выходе из земных недр. Именно поэтому на SPA-курортах советуют пить воду в бювете. Если бы вместо пузырьков газа, в центре водного кластера были молекулы, вода сохраняла бы целебные свойства очень долго.

Фуллерены

Какие это должны быть молекулы? По форме они должны быть близки к сфере с диаметром около одного нанометра. Для того чтобы «вписаться» в водный кластер — повторять его икосаэдрическую структуру. Икосаэдр — один из пяти правильных многогранников. Древнегреческий философ Платон сопоставлял их с природными стихиями. Примечательно, что икосаэдр соответствовал стихии Вода.

Обтекаемый икосаэдр можно ещё больше приблизить к сфере. Такая фигура называется усечённый икосаэдр. И всем она хорошо знакома. Потому, что напоминает покрышку футбольного мяча из 12 пятиугольников и 20 шестиугольников. Похожие молекулы были открыты в 1985 году.

Английский химик Гарольд Крото изучал далёкий Космос. Его интересовал состав газа вблизи больших углеродных звёзд. Эти звезды называют красными гигантами, они в сотни раз больше нашего Солнца. Для проверки своих предположений ему нужно было провести эксперимент, моделирующий космические условия. От своего гостя Роберта Керла, он узнал о подходящем приборе. В лаборатории Ричарда Смолли, в университете Райса, была возможность испарить твёрдое вещество и изучить структуры, которые образуются при охлаждении газа. Смолли и Керл испаряли тугоплавкие металлы. Приехавший к ним Крото, предложил испарить графит.

При его испарении были обнаружены молекулы, которые состояли из 60 и 70 атомов углерода. И редакция журнала Nature получила статью с заголовком «Бакминстерфуллерен». Так за десять дней сентября 1985 года были открыты фуллерен С60, похожий на футбольный мяч и фуллерен С70, похожий на мяч для регби. Футбольный мяч меньше нашей планеты во столько раз, во сколько раз фуллерен С60 меньше футбольного мяча.

Сферические купола Бакминстера Фуллера, натолкнули на мысль о форме новых образований. Новые молекулы назвали в честь человека, который решил превратить свою жизнь в эксперимент. С целью ответа на вопрос: «Что может один-единственный человек сделать на благо мира и всего человечества?». Он надеялся, что его инновационные проекты позволят человечеству выжить в будущем и рассматривал нашу планету как космический корабль с ограниченными ресурсами.

Один из его проектов назывался «Девятое небо». Он предложил строить сферические города, диаметром несколько километров. Если воздух в такой сфере будет на один градус теплее окружающего пространства, она сможет взлететь. Такие города, по желанию своих жителей, могут мигрировать, подобно перелётным птицам, или «парить на привязи» в любимом месте.

Самая красивая молекула Вселенной

В 1996 году Крото, Керл и Смолли получили Нобелевскую премию по химии. В Нобелевской лекции Крото отметил: «История открытия С60 не может быть правильно оценена без учёта красоты формы этой молекулы, которая обусловлена её невероятной симметрией…». В дальнейшем были открыты молекулы углерода, образованные различным количеством атомов углерода. Самой распространённой является молекула с 60 атомами углерода. Её полное имя — бакминстерфуллерен, но в тексте ниже мы будем называть её фуллереном.

Впервые синтезированные молекулы имеют очень причудливые формы. Раньше никогда не было, чтобы форма новой молекулы была знакома каждому жителю нашей планеты. Кроме фуллерена нет ни одной молекулы столь близкой к сфере. Его форма — уникальна.

В статье «Красота и изящество в мире молекул» химики выбирали молекулу с самой яркой харизмой. Титул «Самая красивая молекула Вселенной» получила молекула фуллерена. После её открытия многие учёные долго не могли поверить, что такая молекула вообще может существовать — в ней есть симметрия, которая встречается только в живой природе!

Как отличить живое от неживого? На данный момент, биология не может дать полного и исчерпывающего ответа на этот вопрос. Одно из отличий — поворотная симметрия пятого порядка. Если цветок с пятью лепестками повернуть на угол 72 градуса (360/5), силуэт цветка не изменится. Считалось, что такая симметрия присуща только живому. В неживой природе такая симметрия не встречается. Цветы с пятью лепестками, морские звёзды, биомолекулы тела человека симметричны относительно одной оси. В молекуле фуллерена — шесть осей такой симметрии. Это единственная молекула в Природе, обладающая столь уникальной симметрией.

Фуллерены в Космосе

Через 25 лет после открытия на Земле, фуллерен был найден в Космосе. Используя возможности космического телескопа Spitzer, астрономы исследовали более 250 ближайших планетарных туманностей. Масса фуллеренов, рассеянных вокруг одной из звёзд Малого Магелланова облака, более чем в 15 раз превышает массу нашей Луны. Твёрдые фуллерены были обнаружены вокруг двойной звезды XX Змееносца.

Наша звезда, как и все другие звёзды, возникла из тёмной ледяной бездны, которую называют межзвёздной средой. Анализ излучения космических объектов — единственная возможность сделать вывод об их составе. Однако не только о нем: межзвёздная среда поглощает часть света, и по этому поглощению можно узнать, из чего она состоит.

Учитывая, что всё во Вселенной возникло из межзвёздной среды, важно было понимать её состав. В 1919 году были обнаружены первые диффузные полосы межзвёздного поглощения. В 1987 году Гарри Крото предположил, что ионы фуллерена могут быть носителями диффузных межзвёздных полос. Но не хватало их спектров при низкой температуре и давлении, таких как в Космосе. В 2015 году, после 20 лет усилий, спектры были получены.

В апреле 2019 года были опубликованы результаты наблюдений, с использованием новой методики сканирования космического телескопа Hubble, предоставивших убедительное доказательство того, что фуллерен входит в состав межзвёздной среды. Это значит, что свет от далёких звёзд, идущий до нас миллионы световых лет, на своём пути постоянно встречает молекулы углерода.

Фуллерены в Природе

Фуллерен есть не только в Космосе, но и на Земле. Впервые он был обнаружен в шунгитовых породах Карелии. Также его обнаружили в составе астероидов и метеоритов. Анализ природных пород, найденных геологами в Японии и Китае, показал в них относительно большую концентрацию фуллерена. Внутри фуллеренов находились атомы гелия. Но не гелий-4, обычно присутствующий в земных породах, а редкий для Земли гелий-3. Необычное соотношение изотопов гелия было обнаружено и в метеорите Мерчисон, найденном в Австралии.

При разряде молнии, в толще грунта из спёкшегося кремнезёма формируются стеклянные ветвистые трубки — фульгуриты. В фульгуритах, найденных в США и Индии, был обнаружен фуллерен. При подводном извержении вулкана образуется лава, похожая на подушки. В такой лаве в Чехии также были обнаружены молекулы фуллерена. Найдены они и в донных отложениях, которым 75 миллионов лет.

В пламени свечи, костра и газовой зажигалки можно найти молекулы углерода. Есть они в саже, золе и дыме. Раньше, считали, что встреча на улице с испачканным сажей человеком с ёршиком для чистки дымоходов, приносит удачу. Но про фуллерены на его одежде тогда не знали:). Также их обнаружили в чернильных палочках для каллиграфии и в окаменевшей скорлупе яиц динозавров.

В образцах почвы в разных странах был найден фуллерен. Также он обнаружен в реках и донных отложениях. В воздухе, которым мы дышим есть фуллерены. Во всех образцах воздуха над Средиземным морем, взятых от Барселоны до Стамбула и от Барселоны до Александрии, были найдены молекулы фуллерена.

Фуллерен всегда был в Природе. Раньше его присутствие просто не замечали. Как и то, что с каждым вдохом, с каждым глотком воды эти молекулы попадают в наш организм. Естественно задать вопрос. Безопасно ли это?

Рекордное долголетие

По поводу безопасности фуллеренов учёные не сразу пришли к единому мнению. В 2004 году были опубликованы результаты, показывающие токсическое влияние фуллерена на аквариумных рыбок и водяных блох. Это вызвало научную дискуссию и ряд дополнительных исследований. Со временем была найдена ошибка — гибель животных вызвал не фуллерен, а использованный токсический растворитель.

В 2005 году группа французских учёных, исследуя влияние очень больших доз фуллерена на крыс, не обнаружила ни какой токсичности. Для человека такая доза соответствует полной суповой тарелке порошка фуллерена. Спустя некоторое время эти результаты подтвердили японские и русские учёные.

Как изменится продолжительность жизни животных, если они каждый день будут с кормом получать фуллерен, растворенный в оливковом масле? Учёные предполагали, что если проявится токсическое влияние фуллерена, срок жизни крыс уменьшится.

Но животные на «фуллереновой» диете продолжали жить после смерти крыс в контрольной группе и прожили почти в два раза дольше обычного срока. Средняя продолжительность жизни крыс в контрольной группе составила 22 месяца, на «фуллереновой диете» — 42 месяца, а на оливковом масле без фуллерена, — 26 месяцев. Употребление фуллерена в оливковом масле позволило увеличить среднюю продолжительность жизни животных на 90%.

Влияние различных природных и синтезированных веществ на продолжительность жизни млекопитающих изучено достаточно подробно. Добавление типичных антиоксидантов к диете млекопитающих увеличивает среднюю продолжительность их жизни на 15—20%. Лучшие из «лекарств от старости» — на 20—30%.

Учёные под руководством профессора Фати Мусса в университете Paris-Sud 11 получили уникальный результат — такое рекордное «долголетие» не обеспечивает ни одно из веществ, известных в настоящее время. Эти результаты получены на небольших группах животных и требуют дополнительных исследований. Но с момента публикации в 2012 году не было опровержений результатов, полученных группой профессора Фати Мусса.

Сможет ли «фуллереновая терапия старости» помочь людям? На этот вопрос сейчас нет ответа. Часто результаты, полученные на мышах или крысах, не подтверждаются при клинических исследованиях. В любом случае это выяснится не скоро. Понимая это, добровольцы, назвавшие себя «Большие крысы», начали изучать на себе влияние «фуллереновой диеты» и обмениваться опытом.

Одушевлённая вода

Людям пришлось ставить опыты на себе потому, что сейчас нет единой общепринятой теории старения, на основе которой можно прожить долгую здоровую жизнь. Возможно, это связано с тем, что в биологии не достаточно учитывается состояние воды в живых организмах. Трудно не согласиться с образным выражением Нобелевского лауреата А. Сент-Дьерди: «Вода не только мать, но также и матрица жизни, и биология… не преуспела до сих пор в понимании наиболее основных функций из-за того, что она концентрировала своё внимание только на веществе в виде частиц, отделяя его от двух матриц — воды и электромагнитного поля».

Жизнь зародилась в воде и во всех своих проявлениях неразрывно с ней связана. Чем отличается вода живого организма от воды в стакане? Попробуем ответить на этот вопрос.

В ближайшее время благодаря успехам в развитии нанотехнологий, программирования и робототехники можно будет создавать заводы-автоматы. Такой завод, размером нескольких микрон, без участия человека сможет получать необходимое сырьё и создавать продукцию. Возможно, в дальнейшем он научится создавать свою копию. Из одного завода будет два, из двух — четыре. Получив соответствующую команду, такой завод сможет уничтожить себя, став сырьём для других заводов.