Кара небесная. Космическое миропонимание - [23]

Рис. 17. Выживаемость различных организмов в воде с различными концентрациями дейтерия.

Рис. 18. Поливка помидорной рассады 30, 50 и 60%-ной тяжёлой водой замедляет рост растения (по данным Креспи и Катца, 1972).

Вода, падающая с неба, представлялась также небесной серийной убийцей – это тяжёлая вода (оксид дейтерия) – имеет ту же химическую формулу, что и обычная вода, но вместо атомов водорода содержит два тяжёлых изотопа водорода – атомы дейтерия. Формула тяжёловодородной воды обычно записывается как: D₂O или 2H₂O. Внешне тяжёлая вода выглядит как обычная – бесцветная жидкость без вкуса и запаха. По своим свойствам тяжелая вода заметно отличается от обычной воды. Реакции с тяжелой водой протекают медленнее, чем с обычной. В природных водах соотношение между тяжёлой и обычной водой составляет 1:5500 (в предположении, что весь дейтерий находится в виде тяжёлой воды D₂O, хотя на самом деле он частично находится в составе полутяжёлой воды HDO).

Эксперименты над млекопитающими показали, что замещение более 25% водорода в тканях дейтерием приводят к быстрой гибели животного. Однако некоторые микроорганизмы способны жить в 70%-ной тяжёлой воде (простейшие) и даже в чистой тяжёлой воде (бактерии).

Вскоре была обнаружена сверхтяжелая вода Т₂0. В ее составе место водорода занимает его природный изотоп, еще более тяжелый, чем дейтерий. Это тритий (Т), он радиоактивен, атомная масса его равна 3. Тритий зарождается в высоких слоях атмосферы, где идут природные ядерные реакции. Ежеминутно на каждый квадратный сантиметр земной поверхности падают 8-9 атомов трития. В небольших количествах сверхтяжелая (тритиевая) вода попадает на Землю в составе осадков. Во всей гидросфере одновременно насчитывается лишь около 20 кг Т20. Тритиевая вода распределена неравномерно: в материковых водоемах ее больше, чем в океанах; в полярных океанских водах ее больше, чем в экваториальных. По своим свойствам сверхтяжелая вода еще заметнее отличается от обычной: кипит при 104°С, замерзает при 4,9°С, имеет плотность 1,33 г/см³.

С первых экспериментов прошлого века, вплоть до конца 90-х годов установилось устойчивое представление, что тяжёлая вода несовместима с жизнью и что высокие концентрации тяжёлой воды могут приводить к появлению многих жизненно-важных мутаций, включая блокировку митоза в стадии профазы. Тяжёлая вода высокой концентрации токсична для организма. Тем не менее, тяжелая вода играет значительную роль в различных биологических процессах.

Систематическое изучение ее воздействия на животных и растения начато сравнительно недавно. Различные исследователи независимо друг от друга установили, что тяжелая вода действует отрицательно на жизненные функции организмов; это происходит даже при использовании обычной природной воды с повышенным содержанием тяжелой воды (рис. 17). Подопытных животных поили водой, 1/3 часть которой была заменена водой состава HDO. Через недолгое время начиналось расстройство обмена веществ животных, разрушались почки. При увеличении доли тяжелой воды животные погибали. На развитие высших растений тяжелая вода также действует угнетающе; если их поливать водой, на половину состоящей из тяжелой воды, рост прекращается (рис. 18) [19].

Пониженное содержание дейтерия в воде стимулирует жизненные процессы. Такие данные получили Г.Д.Бердышев, И.Н. Варнавский.[20] Они долгое время наблюдали за растениями и животными, потреблявшими воду, в которой содержалось дейтерия на 25% ниже нормы. Оказалось, что, потребляя такую воду, свиньи, крысы и мыши дали потомство, гораздо многочисленнее и крупнее обычного, яйценоскость кур поднялась вдвое, пшеница созрела раньше и дала более высокий урожай. Вместе с тем, российские исследователи давно обнаружили, что тяжелая вода тормозит рост бактерий, водорослей, грибов, высших растений и культуры тканей животных. А вот вода со сниженной до 30% концентрацией дейтерия (так называемая "бездейтериевая" вода) способствует увеличению биомассы и количества семян, ускоряет развитие половых органов и стимулирует сперматогенез у птиц.

Присутствие дейтерия в биологических системах приводит к изменениям структуры и свойствам жизненно-важных макромолекул таких как дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК) и белки. При этом различают первичные и вторичные изотопные эффекты дейтерия в зависимости от того, какое положение занимает атом дейтерия в молекуле. Наиболее важными для структуры макромолекулы связи являются динамические короткоживущие водородные (дейтериевые) связи. Они формируются между соседними атомами дейтерия (водорода) и гетероатомами кислорода, углерода, азота, серы и т.д. и играют главную роль в поддержании пространственной структуры макромолекулярных цепей. Структурно-динамические свойства клеточной мембраны, которые в большинстве зависят от качественного и количественного состава липидов, также могут изменяться в присутствии тяжёлой воды. Полученный результат объясняется тем, что клеточная мембрана является одной из первых органелл клетки, которая испытывает воздействие тяжёлой воды, и тем самым компенсирует важные параметры мембраны (вязкость, текучесть, структурированность) изменением количественного и качественного состава липидов. Связи, сформированные атомами дейтерия, различаются по прочности и энергии от аналогичных водородных связей. Различия в массе атома водорода и дейтерия косвенно могут служить причиной различий в синтезах нуклеиновых кислот, которые могут приводить в свою очередь к структурным различиям и, следовательно, к функциональным изменениям в клетке.