Монополия на истину

Понятие о критической точке было впервые введено Д. И. Менделеевым в 1860 г. при описании равновесия между жидкостью и паром. Температура кипения с ростом внешнего давления возрастает, но одновременно уменьшается величина скачка объема при кипении, или разница объемов, занимаемых 1 г жидкости и пара. Существуют определенные температура и давление, при которых еще можно говорить о «кипении», но кипении особого рода, когда объем, занимаемый 1 г жидкости, равен объему 1 г пара. Это и есть критическая точка — в ней исчезает физическое различие между жидким и газообразным состояниями данного вещества.
Флуктуации связаны с увеличением радиуса корреляции флуктуации и своеобразной макроскопизацией сугубо молекулярных процессов. При бесконечно большом радиусе корреляции случайное столкновение нескольких молекул (или обычная молекулярная флуктуация плотности) может, как снежный ком, захватить весь объем вещества. На опыте условия, как правило, слегка отличаются от критических, поэтому размеры подобного «снежного кома» вблизи критической точки обычно не превосходят значений порядка длины световой волны, благодаря чему и возникает дополнительное рассеяние света (помутнение и опалесценция).
Существует глубокая аналогия между явлениями расслоения растворов и кипения жидкостей (или перехода жидкости в пар). В первом случае говорят о концентрациях или парциальных давлениях смешивающихся компонентов, тогда как во втором — просто о давлении или плотности жидкости и пара. Точно так же расслоение на две фазы (потеря неограниченной растворимости) при некотором соотношении концентраций, возникающее при определенной температуре, полностью аналогично кипению жидкости и ее расслоению на жидкость и пар с появлением межфазовой границы. Критической точке жидкости соответствует критическая точка расслоения (или растворения), в которой исчезает физическое различие между однородным раствором и расслоившейся фазой.
Исключительный интерес представляет физическая кинетика в критической точке. По мере приближения к критическому состоянию — концу двухфазного равновесия двойной системы — уменьшается коэффициент диффузии D. На это обстоятельство впервые обрати и внимание еще в 1903 г, выдающийся русский физико-химик Д. К. Коновалов. Однако эксперименты по изучению особенностей поведения D в критической точке были начаты лишь в 50-х годах И. Р. Кричевским с сотрудниками. Первые же опыты, проведенные в системе фенол — вода, показали практически полную остановку массопереноса. Аналогичный результат был получен и для других жидких систем. В дальнейшем были поставлены опыты также на газообразных смесях и установлено замедление распространения фронта паров йода в углекислом газе.
С помощью масс-спектрометра было замечено, что скорость выравнивания концентрации изотопов не зависит от приближения к критической точке. Если же создать перепад концентрации самой примеси, то время выравнивания сильно возрастает в критической области. Можно представить себе, что при наличии градиента концентрации возникает некоторое самосогласованное поле притяжения, которое не дает рассасываться неоднородной примеси в растворителе.
Эксперименты позволили, высказать предположение о том, что очень близко к критической точке в диффузионном процессе могут участвовать рои молекул (кластеры) примеси размером порядка радиуса корреляции. Гипотеза о кластерном механизме диффузии в непосредственной близости от критической точки была подтверждена в работах по изучению рассеяния света.
В другой серии экспериментов, поставленных под руководством Э. В. Матизена, исследовалось броуновское движение. Поскольку процесс диффузии сводится в конечном итоге, к броуновскому движению, решено было повторить классические опыты Ж. Перрена, но вблизи критической точки. Эксперименты оказались непростыми, приходилось преодолевать значительные препятствия. Было доказано уменьшение величины среднего квадрата перемещения частиц в единицу времени вблизи критической... точки, а специально снятый кинофильм с исключительной наглядностью демонстрирует, как буквально замирает хаотическая пляска броуновских частиц на экране по мере приближения системы к критической температуре.
Значение описанных явлений для нашего предмета рассмотрения трудно переоценить. Замедление диффузии вблизи критической точки расслоения, очевидно, должно приводить к замедлению химических реакций, и, следовательно, является тем, что в физике называют нелинейным, или управляющим, элементом. Можно предполагать, что строго контролируемые управляемые биохимические реакции, лежащие в основе жизнедеятельности, в некоторых случаях протекают вблизи критической точки воды и растворенных в ней органических веществ. В связи с этим становится более понятным, почему работа биохимической системы передачи нервного импульса столь тесным образом оказалась связанной с явлениями расслоения. Однако неясно, почему именно вода стала основой для самозарождения таких машин. В самом деле, возможно ли разработать, хотя бы чисто гипотетически, машину, использующую реакцию расслоения смеси других жидкостей?

В своем широко известном рассмотрении проблемы старения на клеточном уровне американский биохимик Л. Хейфлик указывает на три процесса, связанных со старением. Один из них — ослабление функциональной эффективности неделящихся клеток: нервных, мышечных и других. Второй — это хорошо известное постепенное увеличение с возрастом «жесткости» коллагена, на долю которого приходится более трети веса белков организма. Наконец, существует третий процесс — ограничение клеточного деления на уровне примерно 50 поколений. Это относится, в частности, к фибробластам — специализированным клеткам, производящим коллаген и фибрин и утрачивающим способность к делению в клеточных культурах к 45—50 поколениям.
Нетрудно видеть, что для нашего рассмотрения все три процесса сводятся к единому источнику. Функционирование неделящихся клеток, как и процесс деления фибробластов, должно опираться на работу множества мембранных машин, в принципе подобных описанным. Постепенный «пзнос» этих машин и эффективность системы исправления нарушений определяют, по Хейфлику, среднее время жизни организма в целом. В рассмотренном нами рабочем цикле молекулярной машины есть одно уязвимое звено — это переполяризовываемый белок с молекулярным весом в десятки и сотни тысяч. Столь крупная молекула может постепенно накапливать в себе дефекты, которые будут снижать эффективность ее работы в машине. Поскольку и коллаген — белок, способный к изменению конформации, вполне вероятно, что «увеличение жесткости» коллагена и отражает общую для всех белков закономерность, связанную с накоплением молекулярных дефектов как единым и универсальным процессом, ограничивающим общую длительность жизни.

Берсерки — средневековые скандинавские воины, обнаруживавшие необычайную храбрость в битве. Они сражались без доспехов, «с обнаженной грудью» (по-норвежски — бер серкэ, откуда и происходит их название). Секрет храбрости берсерков сравнительно быстро перестал быть секретом В состояние ярости берсерки приводили себя искусственно, путем приема специального напитка, настоенного на ядовитых грибах, прежде всего мухоморах. Описания поведения берсерков красозпы и характерны для отравлений галлюциногенными веществами: начинался озноб, лицо распухало, меняло цвет, затем наступало состояние ярости. Берсерки выли, как дикие звери, кусали края своих щитов, рубили направо и налево, не разбирая, где свой и где враг, убивая всех, кто попадался на пути. Такое состояние длилось примерно день, затем наступала вялость. Интересно, что берсерки исчезли после появления указа короля Хокона II, запретившего берсеркизм и, предусмотревшею наказание как для самого берсерка, так и для окружающих (если те не свяжут его). Исследования ряда ядовитых грибов выявили в них наличие токсических веществ, причем некоторые относятся к сильным психотомиметикам. Последние же состоят в близком родстве с известным нейротрансмиттером — серотонйном. Характерным для серотонина и аналогичных ему галлюциногенов является так называемое индольное ядро — азотсодержащий пятичленный цикл, сопряженный с бензольным кольцом, к которому присоединена гидроксильная группа с одной стороны и радикал этиламина — с другой. В настоящее время известна важнейшая роль серотонина в работе многих систем организма: в регуляции тонуса сосудов, функции пищеварительной системы, аллергии и, наконец, в работе головного мозга. Здесь серотонин сосредоточен почти исключительно в сером веществе, причем концентрация нарастает при переходе в область подкорки и далее в область гипоталамуса и так называемой ретикулярной формации ствола головного мозга.
Уже замещение двух аминных протонов в молекуле серотонина метильными группами приводит к получению галлюциногена — буфотенина, увеличенная гидро-фобность которого по сравнению с серотонйном очевидна. Буфотенин же является одним из компонентов отвара мухоморов. В чистом виде воздействие его существенно зависит от дозы: при быстром введении более 10 мг буфотенина появляется резкое покраснение лица, шеи, груди, ускорение пульса, слюнотечение. Одновременно возникают психические нарушения: галлюцинации в виде цветных пятен, чувство спокойствия, нарушение ориентировки, восприятия времени и пространства, трудность выражения мыслей, грубые ошибки в счете. Спустя несколько минут после вливания указанные нарушения сглаживаются, дольше сохраняется чувство спокойствия, которое сменяется эйфорией, длящейся несколько часов. Все эти симптомы отдаленно напоминают поведение берсерков, а также известные описания поведения шаманов, которые, по имеющимся данным, также употребляли отвар мухоморов. Вероятно, этот напиток содержал кроме буфотенина и другие токсические вещества, усиливавшие эффект галлюцинаций и эйфории.
Открытие ЛСД (1943 г.) принадлежит швейцарскому химику А. Гофману, изучавшему алкалоиды спорыньи и обнаружившему па конечном этапе работы странное действие только что синтезированного диэтиламида лизергиновой кислоты. Во время изучения свойств нового вещества Гофмап заметил у себя признаки головокружения, неясного беспокойства, снижения внимания, изменения формы окружающих предметов и лиц, даже при закрытых глазах видел чрезвычайно пластичные и ярко окрашенные картины. Такое состояние продолжалось около двух часов. Чтобы проверить подозрение на влияние новополученного препарата, Гофман принял внутрь минимальную, по его мнению, дозу — 0,25 мг. Уже через несколько минут появились головокружение, беспокойство и беспричинный смех, нарушение активного внимания и восприятие окружающих предметов в искаженной форме. И все-таки Гофман отправился  домой на велосипеде. По его воспоминаниям, ему казалось, что он не двигается, исчезло представление о времени, пробудился страх перед возможностью сойти с ума. Уже дома появились цветовые галлюцинации, голова и ноги будто налились свинцом. Возникало ощущение, что его личность витает где-то в пространстве, отдельно от собственного уже мертвого тела, распростертого на диване. Врач через два с половиной часа после появления симптомов отравления не нашел нарушений в работе сердца и легких. В течение вечера все аномалии постепенно исчезли, дольше всего сохранились зрительные иллюзии, возбуждаемые звуковыми раздражителями. На следующее утро осталось лишь чувство усталости.
В итоге можно отметить, что у всех галлюциногенов гидрофобность «подделок» выше, чем гидрофобность молекул нейротрансмиттеров. Наиболее наглядно это видно - в последнем примере с ЛСД, «пристройка» к индольному ядру в котором особенно развита. Следовательно, можно ожидать и существенного понижения устойчивости клетки из молекул воды вокруг комплекса рецептор — ЛСД, и резкого увеличения вероятности расслоения раствора даже в присутствии небольших примесей этого вещества. Интересно, что попытки синтезировать еще более сильный галлюциноген, чем ЛСД, не имели успеха: новые пристройки к ЛСД либо снижали его активность, либо приводили к получению неактивных соединений. Объяснить этот факт можно на основе представления о том, что должен существовать зависящий от гидратной структуры предел устойчивости водных клеток, начиная с которого клатратный тип гидратации перестает реализоваться.

Такими словами начинается один из вопросов, которые должен был задавать католический священник верующим индейцам во время исповеди. Вопрос касался особого «корня дьявола»—одного из редких видов мексиканского кактуса (лофофора Вильямса — Lopho-phora williamsii). Из плодов лофофоры ацтеки готовили специальный напиток «пейотль». Католическая церковь запретила употребление пейотля, действие которого объяснялось вмешательством потусторонних сил. И в настоящее время в США лофофора объявлена вне закона, ее нельзя сеять, собирать, покупать, продавать и иметь в своей коллекции. Несмотря на это, в Мексике, Перу и некоторых районах Северной и Центральной Америки употребление пейотля не прекратилось до сих пор, сопровождаясь сложным ритуалом в торжественной обстановке.
Ацтекские легенды приписывают пейотлю божественное происхождение примерно в той же мере, что ведические гимны — хаума-соме. Уже первые европейские описания (середина XVI в.) пейотля отмечают важнейшие эффекты, производимые этим снадобьем: «ужасные или смешные видения», продолжающиеся два — три дня после приема. Пейотль считался средством, предохраняющим от опасности, придающим храбрость, устраняющим голод и жажду, излечивающим болезни, очищающим тело и душу, обеспечивающим долголетие и удачу.
Химические исследования пейотля впервые проведены в конце XIX в. Из него было выделено «действующее начало», названное мескалин. Вскоре мескалин был синтезирован, установлена его структура и подтверждены галлюциногенные свойства. Но самым интересным для нас является факт исключительной химической близости мескалина к одному из важнейших нейротрансмиттеров, находимых в головном мозге,— дофамину. Имеются прямые доказательства связи высшей нервной деятельности с присутствием дофамина, в частности в операции выбора цели. В качестве примера привоДят результаты опытов, воспроизводящих эффект «буриданова осла». Крыса направляется в узкий коридор, заканчивающийся двумя одинаковыми ответвлениями вправо и влево (Т-образный коридор). В конце каждого из ответвлений — одинаковое угощение. Но в отличие от легендарного осла крыса, как правило, молниеносно выбирает один из двух вариантов, а при повторных испытаниях делает тот же выбор, так что в среднем в группе крыс выделяются «правые» и «левые» уклонисты. Впрыскивание дофамина под кожу принципиально не меняет поведения крыс, увеличивается .лишь возбуждение, но впрыскивание дофамина в одно из полушарий головного мозга может превратить «правого» уклониста в «левого» и наоборот, в зависимости от того, в какое полушарие введен дофамин. При большой дозе .крыса «зацикливается» — начинает бесцельно вертеться па месте, в одном направлении. Высказаны предположения, что одно из тяжелейших заболеваний, поражающих интеллект — шизофрении, во многих случаях связано с гиперфункцией дофаминсинтезирующей системы.

Древнейший литературный памятник Индии «Ригведа», а также священная книга древних иранцев «Авеста» много места уделяют одному и тому же божеству, называемому хаума, или сома. Судя по описанию, хаума-сома — это растение, называемое в «Рш веде» «хари» (желтоватое), а в «Авесте» —«зори» (золотистое). Произрастает оно в горах и с незапамятных времен используется для жертвоприношений, почитаясь в качестве бога и одновременно жреца, поклоняющегося -Митре своими «совершенными жертвенными прутьями». Из текстов «Ригведы» и «Авесты» следует, что хаума-сома — это, кроме всего прочего, еще и вещество, точнее, сок этого божественного растения (даже слово «сок» этимологи выводят из слова «сома»). Описываются первые мифические случаи выжимания сока хаума и восхваляются его качества — способность сохранять здоровье и продлевать жизнь (постоянный эпитет хаумы — дурауша — «отдаляющая смерть»). Вероятно, отголоски этих верований лежат в основе известных народных сказок о «живой воде», «дереве бессмертия», «молодильных яблоках» и других.
Конечно, «сказка — ложь», но, может быть, существует растение, сок которого обладает своеобразным опьяняющим действием? Хотя реконструкция подлинного смысла древних текстов — дело рискованное, в данном случае решение вопроса облегчается тем фактом, что в некоторых районах Индии и Ирана до наших дней сохранились остатки древних культов в форме так называемого зороастризма. Современные почитатели «Авесты» (к .ним относятся парсы в Индии и гебры в Иране) приготовляют сому из растущего на иранском нагорье хвойника — эфедра. Считается достаточно вероятным, что и древние индо-иранцы также готовили священный напиток из этого горного растения, многие разновидности которого богаты алкалоидом эфедрином.
Здесь можно испытать легкое разочарование. Эфедрин — это ведь каили для, носа, их закапывают при простуде. В наше время трудно найти человека, который никогда не сталкивался бы с эфедрином, причем без особых эмоций, поэтому предположение о тождестве между хаума-сомой и эфедрином как «действующим началом» может поначалу внушать сомнение. Но более пристальное рассмотрение позволяет обнаружить определенные основания для зарождения мифа.

Сопоставление молекулярного строения веществ, вызывающих паралич определенных мышц, со строением молекул химических сигнализаторов сокращения тех же мышц приводит к заключению, что изменение характера связи молекул воды является существенной составной частью механизма передачи сигналов мышечным клеткам. Аналогичный вывод получен при сравнении гормонов, управляющих работой нервной системы, и галлюциногенов — веществ, нарушающих высшую нервную деятельность. Описаны эксперименты по изучению взаимодействия в сложной системе гормон — белок — соль — вода, которая может быть моделью типичной мембранной машины. В заключение рассмотрено, как накопление различных дефектов в структуре белка изменяет свойства связанной с ним воды, и на данном примере обсуждается один из возможных механизмов старения животных и человека.

С незапамятных времен человек сталкивается с токсическими веществами растительного или животного происхождения. Кажется непостижимым, что подчас ничтожная доза яда может убить человека или крупное животное. Достойно удивления также то, что токсическое действие различных веществ в некоторых случаях может характеризоваться практически одинаковыми симптомами. Еще более поразительно, что некоторые из веществ могут обладать двояким действием — как яда, так и противоядия.
Идея о связи токсического действия с расслоением водных растворов позволяет дать новое освещение эффектов токсических веществ, включая такие тонкие особенности, как связь активности с конформацией инертной части молекулы и с присутствием солей в растворе.