Структура льда, нановода
Это продолжение статьи, начало — на прошлых страничках данного раздела.
Структура льда, нановода
Кристаллическая структура льда припоминает структуру алмаза: любая молекула Н2O окружена 4-мя наиблежайшими к ней молекулами, участвующих в формировании водородной связи и находящимися на схожих расстояниях от нее, равных 2,76 ангстрем и размещенных в верхушках правильного тетраэдра под углами, равными 109°28′ (рис. 34). В связи с низким координационным числом структура льда является сетчатой, что оказывает влияние на его невысокую плотность. Природный лёд обычно существенно чище, чем вода, т.к. растворимость веществ (не считая NH4F) во льде очень низкая. При плавлении льда его кристаллическая структура отчасти сохраняется в водянистой воде.
Таблица. Некие данные о структурах модификаций льда
Модифи
кация
Сингония
Фёдоровская группа
Длины водородных связей,
Углы О—О—О в тетраэдрах
I
Ic
II
III
V
VI
VII
VIII
IX
Гексагональная
Кубическая
Тригональная
Тетрагональная
Моноклинная
Тетрагональная
Кубическая
Кубическая
Тетрагональная
P63/mmc
F43m
R3
P41212
A2/a
P42/nmc
Im3m
Im3m
P41212
2,76
2,76
2,75—2,84
2,76—2,8
2,76—2,87
2,79—2,82
2,86
2,86
2,76—2,8
109,5
109,5
80—128
87—141
84—135
76—128
109,5
109,5
87—141
Примечание. 1 A=10-10 м.
Наиболее изученным является лёд I-й природной модификации, который распространён в природе в виде материкового, плавающего, подземного льда, также в виде снега, инея и т.д. В отличие от природного льда льды II, III и V-й модификации могут существовать при очень низких температурах до —170°С. При нагревании до температуры —150°С появляется кубический лёд Ic. Лёд IV-й модификации является метастабильной фазой льда. Он появляется еще легче и в особенности стабилен, если давлению подвергается тяжёлая вода. Кривая плавления льда V и VII изучена до давления 20 Гн/м2 (200 тыс. кгс/см2). При всем этом давлении лёд VII плавится при температуре 400°С. Лёд VIII является низкотемпературной упорядоченной формой льда VII. Лёд IX — метастабильная фаза, возникающая при переохлаждении льда III и по существу представляющая собой его низкотемпературную форму. Две последние модификации льда — XIII и XIV — открыли ученые из Оксфорда совершенно не так давно, в 2006 году. Предположение о том, что должны существовать кристаллы льда с моноклинной и ромбической решетками, было тяжело подтвердить: вязкость воды при температуре –160°С очень высока, и собраться совместно молекулам переохлажденной воды в таком количестве, чтоб образовался эмбрион кристалла, тяжело. В лабораторных опытах этого удалось достигнуть при помощи катализатора — соляной кислоты, которая повысила подвижность молекул воды при низких температурах. В земной природе подобные модификации льда создаваться не могут, но они могут встречаться на замерзших спутниках других планет.
Значение льда для формирования и функционирования жизни тяжело переоценить. Лёд оказывает огромное воздействие на условия обитания и жизнедеятельности растений и животных, на различные виды хозяйственной деятельности человека. Вследствие наименьшей, чем у воды, плотности лёд образует на поверхности воды плавучий покров, предохраняющий реки и водоёмы от донного замерзания и сохраняющего жизнь подводному миру. Если б плотность воды увеличивалась при замерзании, лед оказался бы тяжелее воды и начал тонуть, что привело бы к смерти всех живых созданий в реках, озерах и океанах, которые промерзли бы полностью в толще льда, а Земля стала ледяной пустыней, что безизбежно привело бы к смерти всего живого на Земле.
Аналогично воде, кристалл льда способен хранить информацию. Группа ученых провела очень увлекательный опыт в Арктике. Было проведено зондирование во льду на глубине полкилометра. При всем этом отчётливо детектировались слои льда различных лет. Также был изготовлен изотопный анализ дейтерия и изотопов кислорода в составе Арктического льда. Согласно исследованиям, вода всегда успевала „уяснить” информацию соответственного года. Оказалось, что самыми прохладными были XV, конец XVII – го и начало XIX века. А самыми теплыми были 1550 и 1930 г.
Но самое необычное в структуре льда состоит в том, что молекулы воды при низких отрицательных температурах и больших давлениях снутри нанотрубок могут кристаллизоваться в форме двойной спирали, похожей на ДНК. Это было подтверждено компьютерными тестами американских учёных под управлением Сяо Чэн Цзэна в Институте штата Небраска (США) (рис. 35).
Вода в моделируемом опыте «помещалась» в нанотрубки поперечником от 1,35 до 1,90 нм. под высочайшим давлением, варьирующимися в различных опытах от 10 до 40000 атмосфер. После чего задавали температуру, которая во всех опытах имела значение -23°C. Припас по сопоставлению с температурой замерзания воды делался в связи с тем, что с увеличением давления температура плавления водяного льда снижается.
Рис. 35. Вид структуры воды в нанотрубках (изображение New Scientist)
Молекулы воды связаны меж собой средством водородных связей, расстояние меж атомами кислорода и водорода равно 96 пм, а меж 2-мя водородами — 150 пм. В твёрдом состоянии атом кислорода участвует в образовании 2-ух водородных связей с примыкающими молекулами воды. При всем этом отдельные молекулы H2O соприкасаются вместе разноимёнными полюсами. Таким макаром, образуются слои, в каких любая молекула связана с 3-мя молекулами собственного слоя и одной из примыкающего. В итоге, кристаллическая структура льда состоит из шестигранных «трубок» соединенных меж собой, как пчелиные соты.
Согласно данным компьютерного моделирования, при поперечнике трубки в 1,35 нм и давлении в 40000 атмосфер водородные связи скривились, приведя к образованию спирали с двойной стеной. Внутренняя стена этой структуры является скрученной в четыре спиралью, а наружняя состоит из четырёх двойных спиралей, схожих на структуру молекулы ДНК.
Последний факт накладывает отпечаток не только лишь на эволюцию наших представлений о воде, да и эволюцию ранешней жизни и самой молекулы ДНК. Если представить, что в эру зарождения жизни криолитные глинистые породы имели форму нанотрубок, появляется вопрос — не могла ли вода, сорбированная в их служить структурной основой – матрицей для синтеза ДНК и считывания инфы? Может быть, потому спиральная структура ДНК повторяет спиральную структуру воды в нанотрубках. Как докладывает журнальчик New Scientist, сейчас нашим забугорным сотрудникам предстоит подтвердить существование таких макромолекул воды в реальных экспериментальных критериях с внедрением инфракрасной спектроскопии и спектроскопии нейтронного рассеяния.
Такие исследования нанокристаллов льда были проведены в 2007 году Микаелидес из Центра нанотехнологий в Лондоне и Моргенштерн из института им. Лейбница в Ганновере (рис. 36). Они охлаждали водяной пар над поверхностью железной пластинки, находящейся при температуре 5 градусов Кельвина. Скоро при помощи сканирующего туннельного микроскопа на пластинке удалось следить гексамер (6 соединенных меж собой молекул воды) — мельчайшую снежинку. Это самый небольшой из вероятных кластеров льда. Ученые следили также кластеры, содержащие семь, восемь и девять молекул.
Рис. 36. Изображение гексамера воды, приобретенное при помощи сканирующего туннельного микроскопа Размер гексамера в поперечнике — около 1 нм. Фото London Centre for Nanotechnology
Разработка технологии, позволившей получить изображение гексамера воды – само по себе принципиальное научное достижение. Для наблюдения пришлось уменьшить зондирующий ток до минимума, что и позволило предохранить слабенькие связи меж отдельными молекулами воды от разрушения вследствие процесса наблюдения. Кроме этого, в работе были применены теоретические подходы квантовой механики. Полный подход отдал впечатляющие результаты.
В отличие от кристаллического льда, где меж всеми молекулами воды энергия связи схожа, в нанокластерах есть чередование сильных и слабеньких связей (и соответственных расстояний) меж отдельными молекулами. Получены также принципиальные результаты о возможности молекул воды к рассредотачиванию водородных связей и к их связи с поверхностью металла.
Теоретические анализы Опарина, опыты Миллера, Фокса и др. безусловно обосновывают, что в природе могут структурироваться органические молекулы из неорганических. Основным источником энергии в их опытах является тепло. В природе это солнечная радиация и энергия магмы. Другой очень значимый вывод – это, что зарождение жизни может произойти в щелочной среде. Во всех случаях наблюдается самоорганизация.
В XIX в. Пастьор направил внимание, что в неживой природе молекулы являются симметрическими. А в живой природе наблюдается зеркальная ассиметрия молекул. Белки состоят из нацеленных на лево аминокислот. Данное свойство определяется верчением молекулой равнины поляризации света. Как разъяснить парадокс?
Может быть, наличие ассиметрии в органических молекулах проявилось, когда открытая система, предшествувающая биосферу, находилась в очень неравновесном критичном состоянии.
Произошел прыжкообразный эволюционный переход, что является соответствующей особенностью самоорганизации. Примером такового состояния являются опыты, где водные молекулы напоминают ДНК в нанотрубах. Переход из симметричных молекул неживой природы к ассиметричным биомолекулам живой может произойти на исходном шаге хим эволюции, как самоорганизация материи. Проф. Антонов обосновал, что вода тоже является открытой системой и обменивается энергией и субстанциями с окружающей средой (проф. Антонов, 1992).
Такие экстремальные условия наблюдаются при вулканической деятельности,ются симметрическими. А в живой природе наблюдается зеркальная ассиметрия молекул. Белки состоят из нацеленных на лево аминокислот. Данное свойство определяется вращением молекулой плоскости поляризации света. Как разъяснить парадокс? Может быть, наличие ассиметрии в органических молекулах проявилось, когда открытая система, предшествувающая биосферу, находилась в очень неравновесном критичном состоянии. Такие экстремальные условия наблюдаются при вулканической деятельности, разрядах в атмосфере юный Земли. Минеральная вода, взаимодействуюшая с карбонатом кальция, также морская вода, являются подходящим диапазоном для сохранения самоорганизующихся структур. Эффект Кирлиана в лабораторных критериях делает селективный разряд. При опытах Миллера тоже создаются неравновесные экстремальные условия с газовым разрядомПроизошел прыжкообразный эволюционный переход, что является соответствующей особенностью самоорганизации. Примером такового состояния являются опыты, где водные молекулы напоминают ДНК в нанотрубах. Переход из симметричных молекул неживой природы к ассиметричным биомолекулам живой может произойти на исходном шаге хим эволюции, как самоорганизация материи. Проф. Антонов обосновал, что вода тоже является открытой системой и обменивается энергией и субстанциями с окружающей средой (проф. Антонов, 1992).глядит развитие Вольвокса. а) В течение первых 5 делений выходит зародышевый диск из 32 (25) схожих клеток, этот диск сворачивается в сферу и из стены родительской колонии выходит во внутреннее место колонии. b) Шестое деление клеток дает по две неравных по размеру клеточки, одну огромную и одну небольшую. с) Большие клеточки делятся еще пару раз на неравные по размеру клеточки, а позже и совсем прекращают деление, а мелкие клеточки в это время продолжают обыденное равномерное деление. d) На одном конце сферического эмбриона возникает крестообразное отверстие. e) Это один из самых волнующих эпизодов взросления Вольвокса. Все клеточки до того момента размещались жгутиками вовнутрь, так вышло, когда зародышевый диск сворачивался в сферу сначала развития, другими словами был выкрутят навыворот. Сейчас же эмбрион должен выкрутиться на лицевую сторону. И вот эмбрион через показавшееся отверстие начинает это выворачивание. f) После того как эмбрион выкрутился до конца и все его жгутики торчат наружу, он считается совершеннолетним, после только возрастает в размерах и скоро покидает родительскую сферу. Из статьи D.L.Kirk (2005)
Развитие вольвокса имеет ряд умопомрачительных особенностей самоорганизации, усложнения, сохранения и обмен инфы живой материи. Но самым любознательным фактом, будет то, что такое принципиальное эволюционное событие, как возникновение многоклеточности, на протяжение эволюции происходило не один раз у различных групп животных и растений. Но, рекордсменом, достойным книжки Гиннеса, является семейство водных растений, к которому принадлежит вольвокс: многоклеточность в нем появлялась независимо более 9 раз.
И в конце концов, в 2010 г. был осуществлён опыт южноамериканского учёного Крейга Вентера, который обосновал способность передачи инфы от одной клеточки к другой. Он хим методом синтезировал геном бактерии Mycoplasma mycoides и воткнул его в клеточку другого мельчайшего организма — Mycoplasma capricolum, из которой перед этим были удалены все гены. Приобретенный генный конструкт выжил, стал плодиться и повел себя как рядовая амеба Mycoplasma mycoides. Таким макаром, в первый раз в мире удалось сделать искусственный геном – типичный биокомпьютер и вынудить живую клеточку жить с этим генетическим кодом. Описание этой работы размещено в журнальчике Science.
Рис. Клеточка с геномом другой клеточки, Вентер
Цель опыта состояла в том, чтоб трансплантировать искусственно измененный геном одной из простых микробов (Mycoplasma mycoides) в клеточки другой бактерии (Mycoplasma capricolum). Необычность этой манипуляции в том, что обмен геномами до сего времени был вероятен меж клеточками различных типов – прокариотами и эукариотами, значительно отличающимися меж собой по строению и представляющими из себя две различные таксономические группы организмов. Вентеру удалось сделать химерный гибридный организм из 2-ух прокариот в отличие от природы, создавшей жизнь до уровня клеточки из воды, атомов и молекул среды.
Таким макаром, на базе бессчетных исследовательских работ, доказательств и модельных тестов человечий разум стремится понять загадку происхождения жизни, зародившейся в воде и покорившая все природные стихии.
Д-р И. Игнатов, О. В. Мосин