http://www.semmelweis.de/sanumpost/15/wasser.pdf

О воде и теплокровии

Вода – все ещё живая тайна

Проф. д-р мед. Карл Тринчер

Опубликовано в SANUM-Post № 15/1991, стр. 21 – 26

 Вода – это растворитель, в которой, как бы это не звучало странно, растворяются все вещества, даже золото растворяется в воде. Чтобы это понять, надо, как выразился известный химик Фриц Хабер, иметь правильное химическое чутьё. После первой мировой войны появились на просторах морей удивительно много небольших кораблей под немецким флагом. Они брали поробы воды, которые потом исследовались в лабораториях на содержание золота. Золота оказалось достаточно много, чтобы рассматривать вопрос о его добыче из морской воды. Это было бы для побежденных немцев хорошим подспорьем при выплате военных долгов. Но послевоенная политика пошла другим путем. Репарации, которые побежденные немцы выплачивали техническими услугами, а не золотом, побудили их прекратить дальнейшие поиски золота в морях. Но, тем не менее, было доказано, что золото растворяется в воде. 

 Чужие молекулы изменяют плотность воды 

 Но доказывает ли растворимость золота в воде, что действительно все в ней растворяется?  Да, с водой много экспериментировали и, можно даже сказать, что вдруг поднялся целый вихрь в научных журналах, появилось даже новое слово: «вода Дерягина».  Как известно, плотность вещества является одной из важных его характеристик, которая, также и для воды, зависит от температуры и давления. И тут открытие русского физика Дерягина потрясло научный мир. Он показал, что плотность воды в узких капилярных трубках из кварца выше, чем нормальное значение. Как будто бы вода в узкой трубке капилляра стягивается. Два года маячила Дерягинская вода в научной литературе, при этом Дерягинские опыты были повторены во многих лабораториях и всегда с одинаковым результатом. Но несмотря на то, что всегда фиксировалась повышенная плотность воды в сверхтонких кварцевых капиллярах, переубедить теоретиков было невозможно.  «У вас грязная вода» - отчаянно кричали они, что на научных конференциях было новым. Постоянно можно было слышать: «Ваша вода грязная и поэтому вы замеряете высокую плотность.» И они оказались правы, эти теоретики. Два года спустя доказал один американский химик, что Дерягинская вода содержит частицы кварца. Вода, находившаяся в капиллярах, растворяла кварц и была поэтому уже не чистой водой, а очень сверхслабым раствором кварца.  Она, естественно, обладала большей плотностью, чем чистая вода. 

Чистой воды не бывает

Чистой воды, которая бы состояла из одних молекул воды H2O не существует, она всегда содержит растворенные вещества и даже частицы, которые происходят из самой воды. Это электрически заряженные части молекул воды: положительно заряженные ионы водорода Н⁺ и отрицательные ионы гидроксила (OH)^- . В одном килограмме воды при  22° имеется около 10^-7 грамм Н⁺  и одновременно также 10^-7грамм (OH)^- . Величину в 10^-7грамм H⁺-ионов выражаем мы через символ [Н⁺]. Молекулярный вес воды (Molekulargewicht), называемый молем, равен 18 g.

Один килограмм воды содержит тогда 1000/18=55,6 молей. Один моль означает число молекул, которые соответствуют молекулярному весу вещества. Количество молекул одного моля (число Avogadro), обозначается как No и равно No = 6,06·1023. Если мы умножим 10-7 грамм H+-ионов на No, то получим количество H+-ионов в одном моле воды:

[H⁺] ^. No = 10^{-7 .} 6,06 ^. 10²³ = 6,06 ^. 10¹⁶.

С другой стороны содержит один литр воды 1000г/18г=55,6 молей воды, где 18г означают молекулярный вес воды. Если мы умножим  55,6 на No, то получим число молекул воды в одном литре воды:

                                   Z(H₂O) = 55,6 ^. 6,06 ^. 10²³ = 336 . 10²³

Тогда                         ([H+] ^. No) / Z(H₂O) = 6,06 ^. 10¹⁶ / 336 ^. 10²³ = 1 / 560 . 10⁶  

Это выражение говорит, что только одна молекула из 560 миллионов молекул воды диссоциируется в соответствии с выражением:

H2O = H+ + (OH)-.

{ Из общей  химии}: Электролиты при растворении в воде распадаются (диссоциируют) на ионы - положительные и отрицательные.

Итак, чистая вода диссоциирует только в небольшом количестве на ионы. Это количество определимо и является важной величиной в химии и биологии. Произведение

                                                           [H⁺][OH^-] = 10^-14 = K_w  

называется ионным произведением воды и обозначается Kw , которое при  22 °C равно 10^-14 . Эта величина возрастает при увеличении температуры, т.е. увеличение температуры способствует диссоциации. Из этого выражения следует, что есть три состояния воды относительно содержания ионов: 1) нейтральное состояние, когда [H⁺]=[OH^-], 2) кислотное состояние, когда положительных ионов больше [H⁺]>[OH^-] и 3) щелочное состояние, когда отрицательных ионов больше [H⁺]<[OH^-]. Тогда при нейтральных реакциях имеем [H⁺]=10^-7, при кислотных - [H⁺]>10^-7, при щелочных - [H⁺]<10^-7.

Роль концентрации ионов водорода

Чтобы упростить написание концентрации ионов водорода был введен символ рН, который происходит от латинских слов „potentia“ и „hydrogenium“. Он означает отрицательный десятичный логарифм концентрации ионов водорода: pH = - log H⁺. Тогда мы имеем для нейтральных реакций значение: pH = - log 10^-7 = 7, для кислых реакций: pH < 7 и для щелочных реакций: pH > 7.  

Теперь рассмотрим вопрос, как относится живая клетка к активным реакциям, характеризуемым рН, происходящим вне её. В качестве исследуемого объект возьмем красные кровяные частицы млекопитающих (эритроциты), которые могут бы легко извлечены из своего естественного окружения и которые затем могут быть помещены в искуственную среду, в изотонический соляной раствор.  

{из словаря медтерминов}: Изотонический раствор: раствор, приближающийся по составу и другим показателям к сыворотке крови, т.н. физиологический раствор. Используют в качестве кровезаменителей.

В этом растворе эритроцит может оставаться живым в течении примерно двух часов, пока не расходуется имеющаяся в нём глюкоза. Итак, рассмотрим поведение эритроцита относительно изменений рН в этой искусственной среде из физиологического соляного раствора, активная реакция которого меняется от добавления кислоты (HCl) или щелочи (NaOH).Результат этого опыта схематически представлен на рис. 1.

Рис 1: Зависимость изменения объема безъядрового эритроцита от значения рН среды (надписи: в левом квадрате - экстремальное сморщивание, в среднем - эритроцит, в правом - экстремальное разбухание)

Экспериментально полученный результат гласит: эритроцит живет в слабо щелочной среде с рН = 7,7. При повышении щелочности раствора до рН = 12 эритроцит разбухает за счет набора воды до максимальных размеров. При pH > 12 эритроцит лопается. При повышении кислотности эритроцит сжимается до минимального разменра за счет отдачи воды.  

Параллельно с процессом поступления воды в эритроцит происходит поступление кислорода в него в слабо щелочной среде респираторной части легочной ткани. Параллельно с отдачей воды около клеток в слабо кислой среде системы большого круга кровообращения происходит отдача кислорода. Таким образом мы имеем что-то вроде насосного механизма эритроцита, направление работы которого определяется величиной рН: поступление кислорода в эритроцит совместно с поступлением в него воды в щелочной среде легких и отдача кислорода совместно с отдачей воды в кислотной среде при контакте со слегка кислыми клетками большого круга кровообращения.

Феномен теплокровности 

Теперь рассмотрим второе значение щелочности респираторной части легочной ткани, которая связана с энергетическим поведением теплокровного организма и сжиганием жиров в легких. С возникновением теплокровных организмов была достигнута высшая ступень биологической эволюции. Диапазон теплокровия  охватывает только несколько градусов от 36 °C до 42 °C, причем млекопитающие расположились на нижней границе этого диапазона, а птицы, имеющие более интенсивный обмен энергии, сдвинулись на верхнюю границу этого диапазона. Феномен теплокровия ставит нам три вопроса:

1. Почему теплокровие – это более высокая ступень развития по сравнению с холоднокровием?
2. Почему теплокровие лежит в пределах от 36 °C до 42 °C?
3. Имеет ли организм специальный орган выработки тепла для поддержания теплокровия?

Ответ 1. На вопрос, почему существует состояние теплокровия можно ответить высказыванием Клода Бернара (Claude Bernard): „La fixité du milieu interieur est le condition de la vie libre.“ – «Постоянство внутренней среды – есть предпосылка для независимой жизни».

Физиологическое значение „la vie libre“ лежит в максимизации внутренней подвижности организма. В механическом случае, например для шара, максимальная его подвижность достигается на плоскости, где нет для него никакого принудительного направления движения. Постоянство температуры теплокровного организма означает независимость протекающих в этом организме процессов от внешней среды, включая физиологические процессы, которые обеспечивают постоянство температуры. Независимость скорости биохимических процессов от температуры окружающей среды означает дополнительную степень свободы, которой нет у холоднокровных организмов.

 Ответ 2. На вопрос, почему теплокровие лежит в пределах от 36 °C до 42 °C, можно дать следующий ответ: Диапазон температуры теплокровия определяется двумя экстремальными свойствами воды. Первое свойство имеет энергетическую природу – это минимум удельной теплоемкости С_Р, второе имеет механическую природу – это максимум сжимаемости (изменчивости формы) воды, характеризуемый коэффициентом сопротивления сжатию.

Рис 2: Зависимость удельной теплоемкости воды от температуры

 В то время как для всех других веществ имеется закономерность, что веществу тем больше тепла надо добавить, чтобы его температуру повысить, чем выше его температура, для воды в диапазоне температур от 0 °C до 45 °C действует другая зависимость от температуры: чем выше температура, тем меньше количество тепла необходимо для повышения температуры. В диапазоне температур от 35 °C bis 45 °C имеет удельная теплоемкость свое минимальное значение. Минимальное значение удельной теплоемкости представляет собой стабилизирующий фактор теплокровных организмов.

Рис. 3: Зависимость сопротивления сжатия от температуры

 В то время как другие вещества тем менее сжимаемы, чем выше их температура, имеет вода между 0 °C und 45 °C противоположное свойство: сопротивление сжатию воды падает с увеличением температуры и имеет в диапазоне теплокровия свой растянутый минимум.  Т.е. вода в диапазоне теплокровности максимально деформируема, причем эта деформируемость независит от температуры. Растянутый максимум деформируемости воды, характеризуемый минимальным значением коэффициента  сопротивления сжатию на рис. 3, представляет собой, также как и минимум удельной теплоемкости воды (рис. 2), фактор стабильности для поддержания теплокровия.

Ответ 3. На вопрос, имеется ли у организма специальный орган производства тепла для поддержания теплокровности, можно ответить, что теплокровие обеспечивается специальным органом, а именно легкими, которые, кроме их постоянной функции газообмена занимаются ещё иногда зависящей от температуры функцией теплопроизводства. Этот факт пульмонального термогенеза теплокровных животных был установлен установлен ещё в начале нашего века благодаря доказательству того, что жир оксидирует (окисляется) в легких. Этот факт был зарегистрирован, но не интерпретирован. Только много позднее переработка жира в легких была квалифицирована как теплопродукция (Тринчер, 1960).

 Значение «гипоксического парадокса»

 Было доказано, что респираторные ткани легких задерживают взвешенные в венозной крови капельки жиров и что происходит их прямое окисление кислородом воздуха на стенках респираторной ткани легких.  Такие опыты по доказательству переработки жиров в легких были проведены в огромных количествах и при различных физиологических и биохимических условиях. Но самое интересное это то, что в состоянии гипоксии, т.е. при уменьшении кислорода в легочном воздухе, увеличивается потребление кислорода теплокровным организмом. Это пародоксальное явление, а именно, что уменьшение содержания кислорода в легочном воздухе приводит к повышению потребления кислорода, было названо «гипоксическим парадоксом». Состояние гипоксии можно вызвать у животного искуственно с помощью острой потери крови. Теплокровный организм реагирует на острую потерю крови интрапульмональным оксидированием. К такой же физиологической реакции теплокровного организма приводит состояние гипоксии. Так что мы имеем два варианта:

 (А) Потеря крови ® состояние гипоксии ® интрапульмональное оксидирование жиров;

(В) Уменьшение содержание кислорода в легких ® состояние гипоксии ® интрапульмональное оксидирование жиров.

 Последовательность (В) называется в физиологической литературе «гипоксическим парадоксом». Хотя воздух в легких содержит меньше кислорода, потребление кислорода теплокровными животными повышено. Это кажется действительно пародоксальным, что органы, которые артериальная кровь снабжает кислородом, реагируют на снижение подачи кислородом  увеличением его потребления. Была высказана гипотеза, что умеренно сниженное парциальное давление кислорода является стимулом, который побуждает усиление использования кислорода. Маловероятность этой гипотезы говорит о непреодолимой трудности объяснения гипоксического парадокса в рамках известных физиологических закономерностей. Но для объяснения этого парадокса не нужны гипотезы, если учесть специфическое поведение легких, когда они реагируют на состояние гипоксии интрапульмональной оксидацией.

 Теплопродукция в легких

 Это было хорошее приспособительное приобретение живущих в холоде теплокровных животных сохранять их состояние квази-константной тепературы путем производства дополнительного тепла в респираторной части легочной ткани. Огромная респираторная поверхность легких является контактной областью между холодным альвеолярным воздухом и кровью, протекающей через капиляры легких. При сильном воздействии холода  для защиты от переохлаждения теплой крови, протекающей через капиляры легких, не хватает как тепла, производимого дифференциальными клетками, так и дополнительного тепла, производимого активностью мускулов.  В таких экстремальных случаях воздействия холода на теплокровный организм начинается дополнительное теплопроизводство в легких, основанное на окислении жиров в стенках альвеол. Освобождающееся при этом тепло образует промежуточный слой, своего рода тепловой газовый фильтр для проникновения в кровь холодных молекул кислорода. Таким образом обеспечивается квази-константная тепература теплокровного организма. Легкие являются тепловым барьером, защищающим теплую кровь от холодного воздуха легких.

 В период эмбрионального развития находится теплокровный организм в естественнои термостате, в материнском теле, и не имеет никакого органа для производства тепла, т.е. тепла как самоцель, а не побочного продукта рабочих процессов. Легкие эмбриона не функционируют ни как орган дыхания ни как орган теплопроизводства. Но с момента рождения, когда материнское тело прекращает тепловую защиту ребенка, с этого момента работают легкие как орган дыхания так и как орган теплопроизводства.

Воздействие холода на теплокровный организм действует аналогично острой потери крови или снижению содержания кислорода во вдыхаемом воздухе. Оно ведет к гипоксии в периферичиских частях организма вследствии повышенного расхода кислорода, так что поступающая в капиляры легких кровь находится в состоянии гипоксии. Это состояние гипоксии организма, вызванное холодом, приводит к интрапульмональному окислению, т.е. к пульмональному сжиганию жиров. И тогда имеем следующую последовательность:

(С) Воздействие холода ® состояние гипоксии ® интрапульмональное окисление.

Из последовательностей (A), (B) и (C) ясна цель,  или физиологическая необходимость,  интрапульмонального окисления:  оно служит сохранению хомоитермальному (homoiothermen) состоянию, состоянию теплокровности.

Теперь можем мы представить следующую схему, в которой показаны связи различных причин гипоксического состояния с интрапульмональным сжиганием жиров‘ что служит поддержанию теплокровности:

Потеря                      сниженное содержание кислорода          

крови                                    в легочном воздухе                          Холод

Выводы

1. Вода – это универсальный растворитель. Нет ни одного вещества, которое бы не растворялось в воде.
2. Клетки животных живут в слабо щелочной среде, в то время как сама клетка слегка кислотна. В щелочной среде клетка разбухает благодаря поступлению воды, в кислотной среде она сжимается благодаря потере воды.
3. Поступление кислорода (в эритроцит) происходит вместе с водой в щелочной среде легких, а отдача также с водой – в контакте со слегка кислотными клетками большого круга кровообращения.
4. Температурный диапазон теплокровия от 36 °C до 42 °C определяется двумя экстремальными дапазонами  свойств воды: минимумом удельной теплоемкости и макмимумом сопртивления сжатию.
5.  Легкие обладают дополнительной функцией теплопродукции, запускающейся при определенных условиях.
6. Теплопродукция в легких основана на окислении жиров, если теплокровный организм находится в состоянии гипоксии.
7. Состояние гипоксии теплокровного организма возникает про разным причинам: кровепотеря, уменьшение содержания кислорода в легочном воздухе, воздействие холода.
8. Так называемый гипоксический парадокс основан на окислении жиров в состоянии гипоксии.

Литература

 Eisenberg, D., and Kauzmann, W. (1969): „The Structure and Properties of Water“, Oxford University Press.

 Fine, R. A., and Millero, F J. (1973): J. Chem. Phys. 59, 5529.

 Kell, G. S.   (1972): „Water and Aqueous Solutions“, Edition R. A. Horne, John Wiley and Sons, New York.

 Trincher, K.    (1981): „Die Gesetze der biologischen Thermodynamik“, Urban & Schwarzenberg, Wien;

(1990): „Wasser – Grundstruktur des Lebens und Denkens“, Herder &Co., Wien.