.
1-й Т о м
АПОКАЛИПТИЧЕСКОЕ ВИДЕНИЕ: ЛЕДЯНОЙ КОВЧЕГ
[МЕТАНОВОЕ ОТКРОВЕНИЕ]
П Р И Л О Ж Е Н И Е
(ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ НАНОКРИОНИКА: КЛАТОПРЕДСТАВЛЕНИЕ)
1. КОКОН ВОДЯНОЙ
Ряд газов и жидкостей образует гидраты. Газовые гидраты принадлежат к типу клатратов. Это малоустойчивые соединения. Для придания им стабильности в одних случаях требуется обязательное внешнее воздействие в виде дуэта низких температур и высоких давлений. Но на примере других веществ видно, что и без отрицательных температур можно получить устойчивый гидрат, воспользовавшись всего лишь одним из этих двух факторов – давлением. – Нагружая объект даже с использованием совершенно незначительных его значений (так называемое «повышенное давление»).
Например, для получения при 0оС гидрата ксенона достаточно приложить всего 1,5 атм, но для гидрата криптона уже – 14,5 атм, а для гидрата аргона все – 105 атм. Вообще, принцип, лежащий в основе клатратной стабильности – это взаимозависимость между соответствующими данному гидратообразованию температурами и давлениями.
Процесс образования клатратов сводится к внедрению некоторых чужеродных молекул в полости кристаллической решётки того или иного вещества (например, воды). В случае самого простого элементарного клатратного кокона из воды, необходимы, по меньшей мере, 6 молекул жидкости на 1 молекулу газа.
2. ВИТИЕВАТАЯ ТЕНДЕНЦИОЗНОСТЬ
Чужаки, для осуществления молниеносного захвата плацдарма на незнакомой, вообще-то враждебной им территории, должны обладать подходящими размерами, чтобы, не раздумывая, суметь сразу же влезть в уже заготовленные противником, якобы для собственной обороны, одиночные окопы. Оказывается, это всего лишь коварные ловушки для простаков. Но плен сей, сладостен! И потому не пугает наступающих: ни о каком их полном уничтожении не идёт и речи. Попавших в капкан вражеских солдат ждёт почётное затворничество среди водяных соблазнительниц, сравнимое лишь с бессрочным пребыванием в гареме. Но они сильные воины, и потому, не знакомы с усталостью на любовном фронте.
Для крупных газовых молекул потребность во внешнем численном превосходстве безотказных подруг ещё более существенная. Так молекула метана в 2 раза больше чем у воды, и для того, чтобы окружить себя её отзывчивыми молекулами, любвеобильный атлет просто раздвигает ласковых девиц. А пока ненасытный газовый мачо не обустроится окончательно, и не увлечёт в необыкновенный любовный хоровод вокруг своего ложа в дополнение к предыдущим страдающим поклонницам ещё нескольких, поначалу он напрочь разрывает часть водородных связей.
Но не все пришельцы столь амбициозны как самоуверенный жеребец-метан, чтобы вот так, запросто, занимать почётные места в чистейшем водяном сообществе привлекательных, но вообще-то привередливых капризных барышень. Ну, об этом – чуть позже. Можно только добавить, как много невест знатного рода так же томится в любовной неге в ожидании другого привлекательного кавалера! Ухарь тот – пропан собственной персоной. Есть и ещё достойные пламенной любви женихи-сердцееды.
3. ВОДЯНЫЕ КРУЖЕВА
Гидраты газов способны создавать тетраэдрические каркасы (структуры клатратных гидратов). Это сложные пространственные фигуры-нагромождения, основными элементами которых являются многогранники. Их грани представляют пятиугольники и шестиугольники (как у футбольных мячей). Но в начале нашего экскурса рассмотрим в качестве примера очень простую, разработанную одной из первых, а потому, довольно-таки наглядную структурную модель. – Всего лишь для того, чтобы понять сам конструкционный принцип новообразований, внезапного появляющихся совершенно из ниоткуда; изучить устройство этих, почти что фантомов; разобраться в причудливом хитросплетении их элементов. А в простейшей модели и устроено всё очень просто!
Так, объёмные, с крупными пустотами ажурные тела могут состоять из правильных многогранников-додекаэдров, каждый имеет 12 пятиугольных граней, 30 рёбер, 20 вершин, в каждой из которых сходятся 3 ребра. Молекулы воды находятся в самих узлах, являясь каркасными молекулами со сложно-разветвлённой сетью водородных связей. Своеобразные водяные кружева! Свободные молекулы газов размещаются непосредственно во вместительных трёхмерных сотах клатратной решётки. Но тут же хотелось бы снова отметить, не все вещества способны на такое ожидаемое проникновение. В центре внимания абсолютно чистой непорочной воды могут оказаться только эксклюзивные молекулы.
4. ГАЗОВЫЙ СМОТРЯЩИЙ
Не каждый достоин, оказаться в нежных объятиях неописуемых красавиц, к тому же, чопорных великосветских особ. Например, не образуют кристаллогидратов, углеводороды, содержащие более четырёх атомов углерода. К счастью, особо интересный в плане наших экспериментов газ метан удовлетворяет этому жесткому правилу. Его аддукт собран не на пределе возможного, а с запасом потенциала: кроме громоздкого метана, есть несколько последующих членов из гомологического ряда насыщенных углеводородов, каждый из которых также в одиночку способен устроить групповое клатратное представление. И какое!
В эту крупногабаритную плеяду попадают метан, этан, пропан, бутан. Парни ещё те, удалые молодцы. Все они хоть куда, а потому сии плодовитые быки очень перспективны в плане наших биологических опытов. Например, тот же пропан. И всё-таки первая скрипка – это, безусловно, метан.
5. ПРОСТРАНСТВЕННЫЙ ОБРАЗ
Втиснуться в водяные карманы способны представители и совершенно иных газообразных веществ. К примеру, молекулы сероводорода, элегаза.
Но опыт показал, в действительности не всё так просто, как казалось бы. В процессе развития научных исследований, стали возникать лабораторные и экспедиционные ситуации, благодаря которым были предложены и другие, более сложные, модели клеток-многогранников. А окончательно разобраться в их строении и остановиться на конкретных сегодняшних вариантах помог рентгеноструктурный анализ – всевидящее око, свободно работающее на молекулярном уровне.
Так в случае инертных газов, обнаруженных во льдах Антарктиды, это якобы 12-, 14-, 16-гранники. Все три типа таких многогранников образованы соответственно 20, 24 и 28 молекулами воды. В гидратах азота и кислорода, найденных там же, элементарная ячейка состоит из двух 12-гранников и шести 14-гранников. В такой замысловатой композиции содержится уже 46 молекул воды.
Именно внешние факторы – те пяльцы, что непостижимым образом, пусть и не навсегда, но надёжно сплетают неповторимые кружевные узоры!
6. ПОЧТИ ЛЁД
Кристаллогидраты газов (клатратные гидраты) – твёрдые тела, похожие на лёд или снег. Но, несмотря на этот известный факт, оными ни в коей мере не являются. По нашему мнению, к ним подходит лишь близкое по смыслу название – «квазилёд». И не более того!
Снова повторимся. Известны кристаллогидраты, устойчивые при низких температурах и высоких давлениях. Например, данные соединения азота, кислорода. Но к этому хотелось бы добавить вот чего. Некоторые клатратные гидраты могут существовать пусть и на фоне отрицательных температур, но даже при значениях окружающего нас давления.
Например, при -3,4оС для кристаллогидрата ксенона, при -27,8оС для кристаллогидрата криптона, при -42,8оС для кристаллогидрата аргона давление диссоциации соответствует нормальному атмосферному давлению. Такие характеристики становятся очень привлекательными при осуществлении экспериментов с биологическими объектами.
7. ТРЁХМЕРНАЯ ПАУТИНА
Идём дальше. Именно в строгом соответствии с величиной посторонних молекул различают две основные, геометрически правильные кубические структуры кристаллогидратов. В первой структуре на 46 молекул воды имеется 8 полостей (6 одного диаметра и 2 другого, чуть меньшего). Для второй же, на 136 молекул воды приходится 8 больших и 16, действительно, по-настоящему малые полости. А множество данных структур, соприкасаясь друг с другом, и образуют пространственную паутину, как-бы сплетённую из чистейшей воды. К тому же, на границах этих элементарных ячеек возможны межструктурные промежутки. – Своеобразные убежища, куда легко способны укрыться, например, скопления внутриклеточных субстратов.
Можно только предполагать, в какой мере значительны те объёмы жидкости, которая пошла на построение основных гидратных сооружений и конгломератов из них! Естественно, в образовании гидратов может участвовать клеточная вода, меньшая ( ! ) часть которой таким способом иммобилизуется, а значит, выводится из метаболизма. Поэтому, на биологическом аспекте давайте остановимся более детально.
8. ФУТУРИСТИЧЕСКИЙ ДИЗАЙН
И в биологическом объекте, где на строительство данных молекулярных соединений задействуется некоторая часть организменной воды (в физическом смысле, значительная), просматривается абсолютно та же картина, что характерна вообще при появлении гидратов газов. Считается, что один из непосредственных участников образования этих комплексных соединений обязательно должен быть «хозяином», представленным в виде твердеющей пустотелой матрицы. В случае с биологической клеткой, матричный каркас образован тоже сцепившимися воедино при помощи водородных связей полярными молекулами, но, конкретно, уже – биологически активной воды.
При этом внутренняя жидкость кристаллизуется так же совершенно по-иному, нежели в свободном состоянии. – Не как обычный лёд, а в виде рыхлых ажурных структур, испещрённых многочисленными пустотами. Из больших и малых полостей строго определённых размеров, ограниченных силовыми сеточными стенками, построена вся пещеристая конструкция.
9. КЛАТРАТНАЯ ПЕНА
Так как природа не терпит пустоты, то разнокалиберные ёмкости объёмной матрицы, в самый момент возникновения сложного её каркаса, заполняются другим, групповым соучастником общего процесса строительства – некими «чужими» молекулами. К примеру, посторонними веществами, проникшими в полости ажурной паутины, могут оказаться постоянные и переменные составные части атмосферного воздуха. Включённые молекулы, или «гости», силами Ван-дер-Ваальса строго не фиксированы в определённых пространственных положениях, а сохраняют некоторую подвижность. Возможно и частичное замещение полостей.
Вместе эти факторы определяют существенную миграционную свободу перемещения. Субстанция дышит! Причём, клатратная пена непросто переполнена газами, а прямо-таки распирается изнутри – словно подошедшее дрожжевое тесто. Один объём такого вещества, например, из природных залежей газогидратов содержит примерно 160 объёмов газа (метан и его гомологи, с небольшими включениями углекислого газа, азота, сероводорода).
10. ГИДРАТНЫЙ НЕВОД
Поначалу, не все клатратные ячейки заняты. Из-за чего кристаллическая решётка оказывается энергетически перенапряжённой и всеми праведными и неправедными способами стремится избавиться от излишней потенциальной энергии (в том числе, просто самым коварным образом заманивая к себе «гостя», суля ему всевозможные энергетические блага).
Вот сюда-то, к вожделенной цели, в энергетически-привлекательные клатратные гнёзда, чтобы воспользоваться, пусть и прагматичным, но всё же, каким-никаким, гостеприимством водяных дев (почти что русалок), устремляются даже свободолюбивые броуновские одиночки-отшельники, оказавшиеся рядом совершенно случайно. Но, конечно, с выгодой и для себя.
При заброске столь изощрённого гидратного невода достигается значительный молекулярный улов: естественное стремление всего и вся к энергетическому балансу заставляет и сами клатратные клещи захватывать в некоторые свои, пока ещё пустые пазы даже те из веществ, кои вообще не способны самостоятельно к гидратообразованию (или не способны, при этих, недостаточно высоких давлениях). Например, молекулы гелия, неона, водорода и другие. Кстати, чтобы при 0оС получить самостоятельный гидрат неона, необходимо приложить давление почти в 300 атм. При этой же температуре гелий придётся сжимать уже до нескольких тысяч атмосфер. Почувствуйте разницу!
11. МАНЯЩАЯ ПЕРСПЕКТИВА
Так как все клатратные соединения малоустойчивы, то для своей стабильности требуют особо пристального внимания – в виде уравновешенного энергетического взаимодействия. Выше мы уже отмечали, что варьируя температурами и давлениями можно туго затягивать петли матричных силков. А значит, уверенно ловить в навороченную трёхмерную снасть совершенно разную молекулярную добычу. К примеру, такую, казалось бы самую обыкновенную и недефицитную, как основные постоянные составляющие атмосферного воздуха – азот и кислород.
Но для получения стабильных их клатратов необходимы низкие температуры и высокие давления! Что само по себе существенно усложняет проведение с заносчивыми снобами вообще-то многообещающих биологических экспериментов. К тому же, при работе с этими, вовсе не такими простыми, хотя и легкодоступными веществами, возникает необходимость в осуществлении последующих очень сложных декомпрессионных мероприятий. Хотя, из дальнейших рассуждений станет понятным, что азот и кислород, несмотря на все связанные с ними рутинные проблемы, вполне перспективны для проведения клатратной консервации.
12. ПРЕДДВЕРИЕ КЛАТОБИОЗА
Особый же интерес при непосредственном изучении влияния клатратов на биологические объекты, представляют тяжёлые инертные газы аргон, криптон, ксенон (безусловный фаворит в экспериментальной гонке – ксенон). Они тоже относятся к постоянным, но неосновным компонентам атмосферы – всего лишь в силу своей естественной малочисленности. Именно эта часть недеятельных газов-крепышей способна под соответствующими давлениями, даже ещё при положительных температурах (но незначительных) к гидратообразованию.
Так, клатраты ксенона стабильны уже при 275 К и 0,15 Мпа. И всё же, пусть на сегодня увесистые особы из благородного сословия отработаны многими учёными достаточно успешно в экспериментах на животных клетках, тканях, органах, главное действующее лицо, по мнению автора, и в этом, и любом другом клатратном представлении при слабоположительных температурах – метан в слабом разведении.
Ещё раз напомним, что стабильность газогидратного каркаса обеспечивается заполнением малых полостей вспомогательными молекулами, с последующим образованием двойного гидрата. При этом наиболее эффективным таким вспомогательным газом является ксенон.
Мы в своих собственных биологических опытах остановились тоже на благородных представителях семейства воздуха, разбавляя их переменными составляющими. Вначале, благодаря применению этого чудесного коктейля на фоне глубокой гипотермии, удалось показать, что при клатратном синтезе на уровне клетки, целостный организм млекопитающего относительно легко вводится в обратимое состояние – гипобиоз (замедленная жизнедеятельность).
Но всегда хочется большего. В области криобиологии именно анабиоз – предел мечтаний всех исследователей мира! Увы, для его получения надо было добиться, казалось бы, невозможного: прежде всего, научиться замораживать на своём месте, без каких-либо-то разрушений вокруг, активную клеточную воду. А эта процедура всегда пугала криобиологов. Даже самых отчаянных из них!
13. СООБЩЕСТВО МИКРОАЙСБЕРГОВ
Итак. При одновременном воздействии на тот или иной биологический объект повышенных давлений и пониженных температур (относятся к околонулевому участку положительного диапазона), по всем объектовым клеткам появляются многочисленные плавающие микрокристаллические островки. Проследим дальнейшую коллективную судьбу сообщества этих микроайсбергов, зависших поодиночке или в виде гроздей-конгломератов в свободном парении по всему внутриклеточному пространству (но до-поры-до-времени, всего лишь до тех пор, пока существуют необходимые для данного гидратообразования условия).
Ещё раз повторимся, каждое твёрдое тело, спонтанно возникшее в результате такой гидратной метаморфозы, представляет собой своеобразные молекулярные кружева, украшенные свободными молекулами-стразами. – Перед нами каркасная сетчатая структура сложной конфигурации с внедрёнными в её уютные клатратные гнёздышки определёнными большими и малыми посторонними молекулами.
14. ГОСТИ ХОЗЯИНА
А применение повышенного давления необходимо лишь для того, что бы протолкнуть каких-либо уж слишком громоздких представителей в тесную полость объёмной решётки, напоминающую чем-то биллиардную лузу (например, молекулы-жирдяи метана). – Они, пусть и желанные особы для плоти данного квазиледяного материнского образования, всё же, изначально несовпадающие своими телесами под скромные, пространственные размеры внутренних сот.
Или же для того, что бы простым обжатием силовых стенок просторной рабочей ёмкости, удержать в своеобразной микроскопической авоське ещё более мелкого, чем она, на вид просто жалкого коротышку, но такого же привлекательного адденда (например, худосочную молекулу карлика неона). Таким образом, закреплению долгожданных разнообразных «гостей» в трёхмерных капсулах пространственной матрицы способствуют сами образующиеся ячейки молекулярной сетки «хозяина» (совокупности водяных хозяек). Вовсе не резиновые, как может показаться, хотя и эластичные. Не выпускающие никого, кто попал в цепкие любовные объятия!
15. ТРОГАТЕЛЬНО-РАДУШНАЯ
Вообще, паутина связей между молекулами воды в обычной твёрдой фазе включает в себя достаточно крупные межмолекулярные отделы. Но переход воды в твёрдую структуру уже из гидратов газов сопровождается значительным увеличением объёма, аж на целых 28%. К примеру, при переходе воды в лёд объём увеличивается всего лишь на 9%.
Становится понятным, что кристаллогидратные структуры – более рыхлые, а потому и не опасные. Трудно поверить, перед нами, действительно, самая настоящая водяная паутина. Мягкая, нежная и обволакивающая – подобная рукам любящих женщин! Но это, как отмечалось и есть привлёкшая нас когда-то – её потрясающая конструкционная особенность.
16. КЛАТРАТНЫЙ АРХИПЕЛАГ
Представьте теперь раздутый, с пышными формами зародышевый кристаллик (но сам по себе – микроскопический), внезапно материализовавшийся в некоторой области внутреннего клеточного пространства и оставшийся в вынужденном дрейфе на месте столь неожиданного своего появления. Даже изначально это футуристическое сооружение легко вписывается в ту или иную коренную архитектуру, сразу безболезненно обрамляя и пронизывая аборигена силовыми линиями, лишь слегка, сдвигая его.
Каждый силовой остов у всех совокупных членов клатратного архипелага – достаточно гибкий и в некотором смысле относительно подвижный. К тому же, в их рыхлых телах имеются вместительные межкаркасные промежутки – своеобразные аварийные тоннели.
Туда прячутся все архитектурные излишества (убираются, как шасси у самолёта при взлёте, чтобы не мешать основному, главному полёту). – Всякая там лепнина, колоннада, башенки, декоративные выступы природных построек митохондрий, рибосом и множества другого коренного содержимого. Ведь титульные биологические структуры, в силу своего естественного топографического расположения, оказываются вдруг на месте возникающих, казалось бы, из ничего материнских квазиледяных фрагментов. И ничего, вписываются себе! При этом каких-либо заметных внутриклеточных повреждений не происходит.
17. ГИБРИДНАЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ
Если же охлаждение объекта под повышенным давлением перенести затем в область низких температур, то картина завершения грандиозного строительства в целом будет такова. Реальные, а вовсе не мифические сооружения из воздуха и воды, самые что ни на есть настоящие воздушные замки, точно так же, как и те древние форпосты охраняют подвластные им окрестности от внешней агрессии. – От холодовой ярости! Рассмотрим вкратце, как это происходит.
Внезапно выкристаллизовавшиеся микроскопические зародышевые кристаллики, хотя их не так уж и много в масштабах внутреннего пространства, начинают активно провоцировать сразу во всём клеточном объёме обычную кристаллизацию свободной воды («масштабная кристаллизация»). Из собственных экспериментов с рабочей смесью на основе благородных газов выяснилось, что такая комплексная кристаллизация («гибридная кристаллизация») не опасна ни для клеток, ни для их структур.
Но как по мановению волшебной палочки, всё тут же возвращается на круги своя. Окончание фантасмагорического представления – реструктуризация новообразований – протекает обратным, зеркальным образом. Точно под занавес – сразу после снятия внешнего воздействия! А в зависимости от соблюдения декомпрессионного обеспечения, так же абсолютно безвредно.
18. АНАБИОТИЧЕСКАЯ БЕЗДНА
Вообще-то, клатратные соединения достаточно устойчивы только в относительно узкой энергетической области, где взаимодействие между «хозяином» и всеми «гостями» полностью уравновешено. Поэтому и считается, что интересующие нас клатраты инертных газов гарантированно стабильны именно при низких температурах и повышенном давлении. При этом авторами было замечено, что газы, относящиеся к непостоянным компонентам атмосферы, в случае их использования в качестве добавок к благородным газам, значительно увеличивают эффективность клатратной криоконсервации. Например, к вышеперечисленным веществам будет полезно добавлять пропан.
Как отмечалось, он также способен к гидратообразованию, к тому же, в условиях нормотермии достаточно апробирован анестезиологами на целостном организме млекопитающего. Перспективен элегаз, сернистый газ, сероводород, угарный газ. Так для повышения стабильности гидратов метана можно использовать сероводород, молекулы которого тут же заполнят свободные малые полости кристаллической решетки, тем самым стабилизируя ее.
Удивительно, но ведущая роль из всех таких синергистов и здесь, в условиях низких температур, принадлежит метану! Впрочем, это совершенно другая история, о которой раньше и не подозревали. О ней мы ещё когда-нибудь поговорим поподробнее. Хотелось бы только отметить, что кроме разработчиков данного проекта никто не погружал какие-либо напичканные клатратами биоматериалы в отрицательные температурные глубины. Как стало понятным нашему читателю из всего вышеизложенного – совершенно напрасно!
19. КЛАТОБИОЗ РАБОТАЕТ
Итак. Ещё в 1980-е годы группа московских исследователей, будучи в то время сотрудниками персональной Академической Группы широко известного в научных кругах академика АМН СССР Владимира Васильевича Кованова, открыла совершенно новый, неизвестный ранее науке вид анабиоза. Энтузиасты тогда же окрестили его «клатратный (гидратный) анабиоз». Ныне – проект «Нанокрионика».
Естественно, после обнаружения у составляющих воздуха столь необычных свойств, столичные первооткрыватели на вполне законных основаниях впервые охарактеризовали их как «газовые (клатратные) криопротекторы». Все они, вместе, группами, а некоторые и порознь, могут быть применимы для клатратной криоконсервации.
Известно, что при привлечении малых молекул воздуха, например, кислорода, азота, аргона, криптона, удаётся добиться значительной стабильности газовых гидратов при более высоких значениях температур. Так, гидрат воздуха представляет из себя совершенно устойчивый на воздухе кристалл (метастабильное состояние), который можно употреблять без всяких мер предосторожности (несмотря на высокое давление, под каким изначально был заключён в него газ).
А это значит, что биологические объекты со сформировавшимися в них клатратами можно спокойно хранить в обычном холодильнике и при нормальном атмосферном давлении. К сожалению, в таком, казалось бы, рентабельном случае возникают серьёзнейшие декомпрессионные проблемы.
Запатентованный бригадой Кованова пионерный способ криоконсервации биологических объектов, основанный на данном открытии, может быть использован даже в сфере ритуальных услуг. Но самое главное! Благодаря обнаружению клатратного анабиоза, уже сегодня появилась реальная возможность вводить в анабиотическое состояние любые по размерам и сложности биологические объекты. Причём, как животного, так и растительного происхождения!
20. АЛЬТЕРНАТИВНАЯ КРИОБИОЛОГИЯ
В свете этого прорывного исследования московские учёные, поэтому и применили в альтернативу бесперспективной старой крионике совершенно новое понятие – «нанокрионика» (конечно, и в духе времени, отдавая дань моде на слово «НАНО», неожиданно свалившемуся на всех и на-вся).
Ведь всё искусственно-задействованное, что по шкале линейных размеров ниже величины 100 нм – относится к нанотехнологиям. Понятно, что и в нашем случае, синтетические процессы, развивающиеся в клетке, не просто напрямую зависят от воздействия внешних физических факторов (о которых мы упоминали в самом начале экскурса), а ими можно ещё и манипулировать со стороны. При этом непосредственные объекты управления своими ничтожными размерами вполне вписываются в приведённое строгое ограничение. Самые настоящие нанотехнологии!
К О Н Е Ц П Е Р В О Г О Т О М А