Участники:
Владимир Леонидович Воейков – кандидат биологических наук
Дмитрий Андреевич Селивановский – кандидат физико-математических наук (Нижний Новгород)
Александр Гордон: Я попросил бы вас прежде, чем вы начнёте, дать определение замечательному термину – «полимер».
Владимир Воейков: Я могу говорить о биополимерах, естественно, потому, что я всё-таки являюсь биологом. Определение очень простое. Это молекула, состоящая из большого числа однородных кирпичиков. Они могут быть одинаковыми, они могут быть сходными, относящимися к одному классу соединений, но вся проблема заключается в том, что количество их должно превышать определённое число, тогда это называется полимером. Вот если говорить о полимерах, состоящих из аминокислот, то уже 4-5 аминокислот – это полимер, называется пептид. А в нашей науке, в биоорганической химии принято считать, что белок начинается примерно с 50 аминокислот, соединённых в цепочку. Значит, молекула полимера – это много звеньев, которые сходны, так или иначе, друг с другом.
А.Г. Теперь остаётся выяснить, и я надеюсь, что вы это сделаете, каким образом всем известная формула молекулы воды Н2О, может представлять из себя полимер.
Дмитрий Селивановский: Дело в том, что вода-то находится всегда в конденсированном состоянии, в жидкой фазе, мы об этой воде и будем говорить. Давно уже выяснено, что вообще-то между молекулами воды всегда есть некие, её структурирующие связи.
В.В. У нас даже есть картинка.
Д.С. Да, и вот это свойство (структурированность воды) в каком-то смысле не учитывалось в физических процессах и в химических тоже. Мой учитель Георгий Алексеевич Домрачев выдвинул идею о полимероподобности воды, и я считаю, что он, конечно же, сделал очень большой шаг, когда сопоставил свойства воды и свойства полимера. Полимеры – очень сложные системы. Когда мы делаем эти полимеры здесь на Земле, то они оказываются даже избыточно сложными для устойчивого существования в условиях Земли, т.е. в условиях 300 Кельвинов. Они, как правило, после изготовления сразу начинают деструироваться, то есть в них необратимо ломаются крепкие связи: углерод – углерод, углерод – водород. Мы и сами это видим, когда, например, полимерная плёнка служит всего один сезон, после этого она мутнеет, становится неэластичной. Очень многие изоляторы из полимеров под действием стрикционных электромагнитных сил тоже постепенно разрушаются. Или, например, хотя бы полимерные подошвы – они довольно часто рассыпаются буквально в прах.
При этом никаких нет таких уж сильных воздействий на эти полимеры. Уровни протекающих энергий невелики, они несопоставимо меньше, чем нужно для разрушения химических связей в полимерах. И, тем не менее, происходит химическая деструкция полимеров. Ну, например, любая сварка какого-либо полимера или переплавление полимера приводит к тому, что часть его вещества деструируется. Или, если полимер расплавить и продавить через тонкие отверстия, чтобы создать полимерные нити, то эти полимерные нити будут иметь уже гораздо более низкое качество, чем только что синтезированный полимер. Всегда при этом довольно большое количество вещества полимера уходит в «огрызки», которые уже не имеют тех свойств, которые имели исходные полимеры.
Но мы немного отвлеклись. Хотелось бы поговорить о том, как мы вообще к этой проблеме (полимероподобности воды) подошли. Каждый из нас это сделал по-своему…
А.Г. Да, да, пожалуйста. Я хотел сказать, что это же телевизионная программа, у неё есть свои законы. Надо дать затравку, чтобы смотрели.
В.В. Тогда я к тому определению «полимера», которое просто из учебника, хотел бы чуть-чуть добавить, с тем чтобы связать эти две вещи: биополимеры, полимеры, полученные химическим синтезом, о которых говорил Дмитрий, и вода, которая полимерна, что поразительно, и об этом, собственно, дальше пойдёт речь. Потому что, когда мы говорили, что даже полимеры рассыпаются от механических воздействий, это в каком-то смысле странно. По крайней мере, мои коллеги-биологи не очень-то над этим задумываются.
Почему странно? Потому что полимеры, по определению, это молекулы, в которых атомы связаны прочными, так называемыми, ковалентными связями. И чтобы порвать эту связь, необходимо приложить то, что иногда называют энергией высокой плотности. Например, для того чтобы эта связь возбудилась и разорвалась, она должна поглотить квант ультрафиолета.
И вот, когда такой полимер начинает рваться под действием просто механических воздействий, охлаждения, нагревания, это выглядит непривычным. Между прочим, биологи очень часто встречаются с тем, что полимеры рвутся. Возьмём, например, наши любимые молекулы ДНК. Это гигантская молекула. И когда выделяют молекулы ДНК, то стараются с ними работать чрезвычайно нежно. Нельзя даже палочкой интенсивно болтать суспензию этих самых ДНК, потому что она будет рваться на фрагменты. Но редко кто задумывается над тем, что разрыв происходит по так называемой валентной связи. Если взять не длинную молекулу, а её маленький фрагмент, состоящий…
Д.С. Но там же других и нет связей.
В.В. Да, там других просто нет, вот такой полимер. Если взять маленький её фрагмент, состоящий из двух, трех, четырех кирпичиков, то никакой палочкой его уже не порвёшь.
Д.С. Надо ещё учесть и то, что все эти молекулы ДНК обязательно находятся в воде, это тоже очень важно.
В.В. Когда мы говорим о воде, то вот как раз картинка, которая говорит о стандартном представлении, учебниковом представлении о том, как устроена молекула воды. Синий шар – это атом кислорода, два жёлтеньких шарика – это атомы водорода. И чем эта жидкость отличается от других самых разнообразных жидкостей, и Дмитрий об этом более подробно будет говорить, это тем, что эта молекула на самом деле не уравновешена полностью. Вот там видны знаки «минус» и знаки «плюс». На атоме кислорода есть немножко отрицательного заряда. На атоме водорода есть немножко положительного заряда. Этих молекул много, и отрицательный заряд атома кислорода притягивает положительный заряд атома водорода. Образуется связь. Эта связь очень слабенькая, так называемая водородная связь. Её энергия в десятки раз меньше, чем связь между атомом кислорода и атомом водорода в одной молекуле воды. И поэтому, основываясь на представлениях из учебника, думать, что воду можно рассматривать как содержащую полимеры, до их работ казалось совершенно диким. Связи такие слабенькие, что там, казалось бы, нечего говорить о полимеризации. А вот дальше уже начинается история исследования воды как полимера.
Д.С. Это, конечно же, была очень светлая мысль. Покажите вторую картинку. Смотрите: многие свойства воды претерпевают, во всяком случае, основные свойства, претерпевают экстремумы температурных характеристик, то есть они проходят через минимум или максимум. Известная нам плотность воды, например, при плюс четырех градусах будет наибольшей. Это, видимо, следствие того, что когда кристалл льда при таянии разрушается и уплотняется, то это уплотнение ещё может долго продолжаться при увеличении температуры. Но одновременно начинает работать ещё механизм, растаскивающий такие фрагменты, тепловой механизм. И в конце концов, плотность воды, пройдя через максимум, начинается спадать.
А.Г. У меня вопрос на понимание. А если мы охлаждаем воду, не проходя отметку замерзания, скажем, от 6 градусов до 4. Плотность такой воды будет меньше, чем плотность воды, которая получилась в результате таяния льда?
Д.С. Нет, эта характеристика и в ту и в другую сторону проходит через этот максимум, и в ней нет гистерезиса… Где-то здесь при 4 градусах уже начинают складываться мощные структуры из водяных молекул. Это гелеподобные структуры, имеющие даже сдвиговую упругость, некие такие студнеподобные образования.
Вот ещё одна характеристика интересная, посмотрите, – это теплоёмкость, которая отмечена красной линией. Минимум теплоёмкости воды как раз там, где мы все – теплокровные – располагаемся. И падающая ветвь от нуля до 38 градусов, она, вообще-то, свойственна только твёрдым телам. То есть вода ещё некоторое время по этому параметру сохраняет свойства твёрдых тел, и только после 38-40 градусов начинает быть так называемой обычной жидкостью.
