(Факты, гипотезы и следствия).

Андриевский Г.В., Клочков В.К.

 

В 1985 году с помощью масс-спектрометрии была открыта новая аллотропная форма углерода - фуллерены [1]. Эти молекулы по сей день не перестают удивлять научный мир своими необычными свойствами. Общеизвестно, что фуллерены (Cn, где n = 60, 70 и более) являются замкнутыми сетчатыми структурами, состоящими из атомов углерода и обладающие высокой симметрией. Наряду с этим, также известны эндоэдральные комплексы (A@Cn) фуллеренов [2, 3, 4]. В этих комплексах гетероатомы (А) находятся во внутренней полости Cn, чей размер тем больше, чем больше значение “n”. Например, для фуллерена С60 такая сферическая полость имеет размер около 4 A, в которой может свободно расположиться, даже достаточно крупный атом Cs [5]. Но т.к. внутри обычных фуллеренов отсутствуют какие-либо атомы и молекулы, то является совершенно справедливым задать вопрос: “Пустое пространство внутри фуллеренов - это есть физический (квантовый) вакуум, окруженный симметричным электро-магнитным полем?” Если это так, то фуллерены можно рассматривать как высокосимметричные вакуумные пузырьки с углеродной оболочкой.

Тогда правомочен вопрос: “Является ли симметрия вакуума внутри молекулы фуллерена и его геометрическая симметрия взаимообусловленными? И далее: “В какой мере обусловлена стабильность фуллереновой оболочки существованием внутри нее вакуума?

В любом случае ясно, что углеродная оболочка фуллереновой молекулы в условиях физико-химического эксперимента можно рассматривать как мембрану, отделяющую внешнюю среду от вакуумного пространства. Хорошо известно, что такая своеобразная мембрана [6] в обычных условиях: (a) является непроницаемой ни для одного атома (для сравнения, см. [3]; (b) способна, не разрушаясь, вступать в различные физико-химические взаимодействия [7, 8]); (c) является проводником электрического тока; (d) эффективно взаимодействует с квантами электромагнитного поля.

Следовательно, углеродную сетку фуллеренов, в действительности, можно именовать как атомную, квантовую мембрану, которая является границей раздела между внешней средой и вакуумом. Тогда на взаимодействие фуллеренов с любой частицей внешней среды (молекула, атом, ион, радикал и т.д.) можно посмотреть как на процесс, который детерминирован законом выравнивания значений термодинамических потенциалов по обе стороны углеродной мембраны. При данном подходе, этот процесс можно представить как электронный, квантовый осмос, связанный с наличием вакуума внутри фуллеренов.

Т.к. с явлением осмоса непосредственно связано понятие осмотического давления, то понятно, что сферическая молекула фуллерена будет подстраивать внешнее окружение таким образом, чтобы вокруг нее это давление (электронное, квантовое) было бы симметрично направленным и одинаковым по всем направлениям. В частности, если такое условие не выполняется, то стабильность фуллерена и его химических производных будет зависеть от прочности атомной мембраны, у которой произошли локальные изменения симметрии углеродной оболочки.

Следовательно, требование к окружающей среде соблюдать такую же симметрию, как и у фуллеренов - одно из основных условий достижения состояния термодинамического равновесия в системах, содержащих эти молекулы. Это же условие должно быть справедливым и для существования упорядоченных агрегатов (кластеров) фуллеренов, как в твердом состоянии, так и в растворах.

Как пример вышесказанному напомним, что в широком диапазоне температур (180-380 K) обнаруживается аномальная температурная растворимость С60 (в гексане, толуоле, дисульфиде углерода), которая является максимальной при Tc~280K [9]. Такое явление связывают с кластерной природой растворимости фуллеренов [10,11,20]. Поэтому максимальная растворимость фуллеренов должна соответствовать той ситуации, когда сольватированные молекулы фуллеренов и их фрактальные (сферические) кластеры [10, 14] оптимальным образом ориентирует вокруг себя максимально возможное количество молекул растворителя в растворе. В этом случае весь раствор, как единая система, должен иметь общие элементы симметрии для большинства его компонентов. В целом же, подобные системы, имея свойства локальной однородности и самоподобия, должны рассматриваться, как фрактальные.

Что касается водных растворов, то напомним, что вода способна тонко подстраивать свою структуру к "требованиям" растворенных веществ [16], в чем проявляется ее отличие от многих других жидкостей и растворителей. В частности она способна образовывать клатратные структуры, которые представляют собою стабильные и пространственно упорядоченные сфероподобные гидратные сетки из чередующихся пента - и гексагональных циклов, в которые могут включаться различного рода ионы и нейтральные молекулы [17, 18, 19].

Тогда не является удивительным, что фуллерены могут быть растворены (но не самопроизвольно раствориться!!!) в воде в достаточно большом количестве, сравнимом с растворимостью их в органических растворителях (вплоть до 2 мг/мл) [12, 13, 14, 15]. Описывая ранее эти факты, мы констатировали возможность получения высокостабильных (не разрушающихся при хранении более, двух лет при 4-60 ?С) молекулярно-коллоидных систем фуллеренов в воде (FWS). По нашему мнению наличие в FWS гидратированных фуллеренов (Сn@mH2O) и их фрактальных кластеров является предельным случаем, который отражает общую форму существования сольватированных фуллеренов в растворах. В частности, для С60FWS эта форма обусловлена как наличием устойчивой сферической гидратной оболочки вокруг фуллеренов, так и сохранением общих элементов симметрии, которые согласуются с существованием кластерной организации, характерной для флуктуирующих структур жидкой воды [21].

Исходя из вышеупомянутых особенностей поведения фуллеренов в растворах, отметим, что исследование их природы растворимости открывает возможность новых подходов для характеристики объемных свойств среды, в которой фуллерены присутствуют.

Сейчас уже является бесспорными фактами то, что фуллерены существуют в природе [22] и образуются в процессе антропогенной деятельности [29]. При этом известно, что фуллереноподобные структуры характерны для живой материи [23] и организации HIV gag-protein shell [25,26]. Т.к. природные биологические структуры всегда являются гидратированными, то, в дополнение к последним фактам, можно задаться вопросом: “Не случайно ли совпадение размеров минимального сферического (D=34 A ) гидратированного кластера С60 в C60FWS [14] с шагом Watson-Crick's спирали двухцепочечной B-формы ДНК?” И далее: “Не случайно ли совпадение размеров сферического гидратированного фрактального кластера С60 (D=109 A ) [14] и размеров сферических структур (D=110 A ), из которых состоит хроматин в хромасомах эукариот? [24]”

С другой стороны, т.к. FWS является отражением существования кластерной организации, характерной для флуктуирующих структур жидкой воды [21], то является совершенно справедливым задать вопрос: “Могли ли такие свойства воды обусловить эволюцию пространственной структуры нуклеиновых кислот и механизмы функционирования белково-нуклеиновых комплексов у живых организмов?” И в конечном итоге, как коррелируют результаты экспериментов по обнаружению роста простейших грибов на фуллеренах в ультрачистой воде [27] с вопросом: “Не являлись ли фуллереноподобные структуры матрицей для зарождения биологической материи на Земле, для которой исходным материалом могли бы быть как простейшие соединения углерода, азота, кислорода и воды, так и готовые “кирпичики” из сложных молекул?”

Отметим, что в процессе хранения С60FWS, который изначально был приготовлен на деионизированной воде, мы также наблюдали в некоторых случаях спонтанный рост дрожжевых грибов типа Rhodotorula rubra и высших нитчатых грибов семейства Fungi imperfecti и p. Acremonium.

Независимо от этого, уже сейчас понятно, что фуллерены и их производные обладают заметной биологической активностью. Мы в экспериментах на лабораторных животных с модельными патологиями также убедились, что С60FWS проявляют высокую биологическую активность. Такие эффекты нативных фуллеренов связанны, естественно, с их влиянием на интегральные процессы передачи информации, как между клетками, так и между целостными системами живого организма. При этом отметим, что по своей химической структуре фуллерены не имеют никакого сходства ни с одним из известных нейромедиаторов и поэтому не могут непосредственно имитировать действие последних на уровне нейрорецепторных механизмов. Параллельно с этим известно, что фуллерены и некоторые их производные обладают сильным антиоксидантным действием, что связано, как является общепринятым, с ингибированием реакций с участием свободных радикалов.

Существует привлекательная теория, пока не доказанная, но и не опровергнутая, о том, что физический вакуум, ко всему прочему, является носителем так называемого информационного поля, одной из разновидностей которого является биоинформационное поле [28]. Полагают, что это поле способно взаимодействовать с физическими объектами также, как и другие поля, известные в физике. В таком случае не должно быть удивительным, что механизмы биологической активности фуллеренов, как вакуумных пузырьков, могут быть обусловлены не только исключительно их физико-химическими взаимодействиями с различного рода биологическими мишенями, но и влиянием фуллеренов на биоинформационные поля, формируемые высокоорганизованными биологическими системами.

В данном сообщении мы не ставили своей задачей дать какие-либо конкретные качественные или количественные оценки в высказанных гипотезах. Данные гипотезы охватывают весьма широкий круг вопросов, для решения которых требуется подключение специалистов самого разного профиля. Тем не менее, нашей целью (и в общенаучном, и в философском плане) являлось предложение рассматривать фуллерены и их гидратированные комплексы как объекты, которые наглядным образом отражают в себе свойства как Вакуума (вакуумные пузырьки), так и Материи (молекулы и коллоидные частицы). Именно в таких свойствах фуллеренов, по нашему мнению, ярко проявляется принцип Единства Природы и суть Углеродной Жизни.

Ссылки. [1] Kroto, H.W.,.Heath, J.R, O’Brien, S.C., Curl, R.F. & Smalley, R.E. Nature 318, 162-163 (1985). [2] Heath, J.R., O’Brien, S.C., Zhang, Q., Liu, Y., Curl, R.F., Kroto H.W., Tittel, F.K. & Smally, R.E. J.Am.Chem.Soc.107, 7779-7780 (1985). [3] Schwarz, H. Angew.Chem.Intern.Ed. 31,293-298 (1992). [4] Kikuchi, K. Kobayashi, K., Sueki, S., Suzuki, S., Nakahara, H., Achiba, Y., Tomura, K. & Katada, M. J.Am.Chem.Soc. 116, 9775 (1994). [5] Curl, R.F. Dawn of the Fullerenes - Conjecture and Experiment (Nobel lecture), Angew.Chem.Intern.Ed., 36, 1567-1576 (1997). [6] Smalley, R.E. Discovering the fullerenes (Nobel lecture), Angew.Chem.Intern.Ed., 36, 1595-1601 (1997). [7].Taylor, R. & Walton D.R M. Nature. 363, 685-693 (1993). [Sokol] Sokolov,V.I. & Stankevich, I.V. Uspekhy khimii (Russ.). 62, 455-473 (1993). [9] Ruoff, R.S., Malchorta, R., Huestis, D.L., Tse, D.S., & Lorents D.C. Nature. 362, 140-141 (1993). [10]. Ying, Q., Marecek, J. & Chu, B.. J.Chem.Phys. 101, 2665-2672 (1994). [11] Bezmelnitsyn, V.N., Eletskii, A.V., Smirnov, B.M. & Stepanov, E.V. In: Recent Advances in the chemistry and physics of fullerenes and related materials /K.M.Kadish & R.S.Ruoff Eds./ Pennington:The Electrochemical Society,Inc. 1526-1532 (1994). [Feder] Feder, J.. Fractals. Plenum Press, New York, 1988. Или пер. с англ. - М.: Мир, 1991.-254 с. [12] Andrievsky, G.V., Kosevich, M.V.,.Vovk, O.M, Shelkovsky, V.S. & Vashchenko, L.A. J.Chem.Soc., Chem. Commun. 12, 1281-1282 (1995). [13] Mchedlov-Petrossyan, N.O., Klochkov, V.K. & Andrievsky, G.V.. J.Chem Soc., Faraday Trans. 93, 4343-4346 (1997). [14] Andrievsky, G.V., Klochkov, V.K., Karyakina E.L. & Mchedelov-Petrossyan N.O. Chem.Phys.Lett. (1998) [15] Beck, M.T. & Ma ndi, G. Fullerene Science and Technology. 5, 291-310 (1997). [16] ]. Malenkov, G.G. Z. Strukturn. Khimii.. (Russ.) 7, 331-336 (1966). [17]. McMullan, R.K, Jordan, T.H. & Jeffrey G.A., J.Chem.Phys. 47, 218-222 & 1229-1234 (1967). [18]. Jeffrey, G.A. Acc.Chem.Res., 2, 344-352 (1969). [19] Wei, S.& Castleman, Jr., A.W. Int. J. Mass Spectrom. Ion Proc. 131, 233-264 (1994). [20] Blau, W.J, Byrne, H.J., Cardin, D.J., Dennis, T.J.S., Hare, J.P., Kroto, H.W., Taylor, R. & Walton, D.R.M. Phys. Rev. Lett., 67, 1423-1425 (1991). [21] Yukhnevich G.V. & Volkov V.V. Dokl. Akad. Nauk (Russ.) 334, 465-468 (1997). [22] Buseck, P.R., Tsipursky, S.J. & Hettich, R. Science, 257, 215-217 (1992). [23] Harrison, S.C. & Kirchhausen, T. Cell, 33, 650-652 (1983). [24] White, A., Handler, P., Smith, E.L., Hill., R. & Lehman, I.R. Principles of Biochemistry. /Sixth Edition, McGraw-Hill, Inc.,/ 1978. [25] Nermut, M.V., Grief, C., Hashimi, S. & Hockley, D.J. AIDS Res. Hum. Retroviruses, 9, 929-938 (1993). [26] Nermut, M.V., Hockley, D.J., Jowett, J.B., Jones, I.M., Garreau, M. & Thomas, D. Virology, 198, 288-296 (1994). [27] Wainwright, M. & Falih, A.M. Microbiology, 143, 2097-2098 (1997). [28] Shipov, G.I. Теория физического вакуума (Russin), Moscow: “NT-Centr”, (1993) 187-214. [29] Howard, J.B., McKinnon, J.T., Makarovsky, Y., Lafleur, A.L. & Johnson, M.E. Nature, 352, 139-141 (1991).

http://www.fullwater.com.ua