Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

Жизнедеятельность организмов связана с поглощением природной воды. Вместе с водой в организмы поступают растворенные вещества. В организмах вещества перераспределяются. Перераспределения регистрируются химическим анализом. Полученные данные отражают процессы, происходящие в организмах.

Типичные соотношения содержаний натрия и калия в природных средах, где обитают организмы, представлены данными табл. 1:

– средние содержания натрия и калия в твердой фазе горных породах континентальной коры – преимущественно близки [4]. Также близки растворимости наиболее распространенных минералов горных пород – микроклина (KAlSi3O8) и альбита (NaAlSi3O8) [4];

– несмотря на это в водах, протекающих по горным породам, содержания натрия в 4–30 раз больше, чем калия [3].

В водах, поглощенных организмами, соотношения содержаний натрия и калия существенно изменяются (табл. 2):

Таблица 1

Различие распределений натрия и калия в твердой и жидкой фазах горных пород

– внеклеточные растворы характеризуются соотношением 36:1. Это заметно превышает соотношения содержаний натрия и калия в природных водах;

– внутриклеточные растворы – соотношением 1:13, диаметрально противоположным соотношению натрия и калия в жидкой фазе окружающей среды.

Т.е. жизнедеятельность биологических организмов приводит к перераспределению основных химических компонентов (натрия, калия, кальция, хлора и гидрокарбонат-иона). Очевидно, что наиболее существенные изменения происходят при переходе растворов из межклеточного пространства и обратно. Границами раздела клеток и межклеточного пространства являются мембраны клеток. Именно при движении растворов через мембраны вещества перераспределяются.

Возникает вопрос: какая причина приводит к указанному перераспределению калия и натрия в клеточном растворе? Движение растворов через мембраны является механическим процессом. Без привлечения дополнительных факторов объяснение причин воздействия механического процесса (движения растворов) на содержания химических компонентов сред – невозможно.

Прохождение химических реакций, обуславливающих перераспределение веществ, возможно только в случае различия энергии клеток и межклеточного пространства. В условиях организма различие наиболее проявлено в уровнях кинетической энергии движения растворов: клетки характеризуются пониженной подвижностью растворов и пониженной энергией относительно межклеточного пространства. Одним из возможных следствий выравнивания энергий клетки и межклеточного пространства является перераспределение концентраций веществ между ними.

Само по себе различие в механической энергии не может непосредственно и значимо влиять на прохождение химических реакций. Гравитационные и магнитные эффекты живыми организмами не производятся. Это же относится радиационному излучению, а также к испарению и вымораживанию, как следствию внутренних биологических процессов. Давление и температура поддерживаются в таких узких пределах, что значимо влиять на изменение направления и скорости химических реакций непосредственно в живых организмах не могут. Объемы жидкой и твердой фаз изменяются крайне медленно по сравнению со скоростями химических реакций, происходящими в организмах.

Методом исключения устанавливается, что наиболее вероятным и значимым по происхождению и воздействию на химические процессы в организмах является электрическое поле [6].

Напряженность электрического поля оказывает непосредственное и направленное силовое воздействие на электрически заряженные частицы твердой и жидкой фаз (ионы). Соответственно происходит воздействие на обмен веществ между фазами и прохождение химических реакций.

Согласно принципу электронейтральности [6] через мембрану и ее каналы должны проходить не потоки одноименно заряженных ионов, а молекулы с суммарным электрическим зарядом равным нулю. Электрическое поле оказывает силовое воздействие на электронейтральные молекулы. Основание: ионы, составляющие молекулы, характеризуются различными уровнями энергии взаимодействия с электрическим полем. В большинстве случаев энергия воздействия электрического поля на катионы превышает энергию воздействия на анионы. В результате, электрически нейтральные молекулы движутся в сторону понижения потенциала.

Таблица 3

Значения энергии, сообщаемые ионам электрическим полем (относительно иона водорода)

Для определения энергии электрического поля ионов используется известная формула [5]:

где Ai – энергия поля, создаваемого ионом, e – заряд электрона, n – валентность иона; ri – радиус иона.

Сравнение характеристик энергии воздействия электрического поля на ионы, входящие в состав жидкой фазы организмов, приведено в табл. 3.

Сравнительная характеристика силового воздействия электрического поля на различные вещества представлена в табл. 4, проиллюстрированной рисунком. Наименьшие значения энергии воздействия свойственны RbHCO3, наибольшие – CaCl2.

Содержания ионов натрия и хлора в растворах вне клеток – наибольшие (табл. 2). С учетом принципа электронейтральности близость содержаний определяет преимущественную взаимосвязь натрия и хлора. Повышенная электроположительность катионов рубидия относительно катионов лития, натрия, калия, цезия и кальция, также обуславливает преимущественное соединение рубидия с анионами хлора, имеющими наибольшую электроотрицательность. При этом калию достается преимущественная связь с менее электроотрицательным гидрокарбонат-ионом.

На основании изложенного принимается, что основным фактором, влияющим на перераспределение химических веществ, является естественное электрическое поле, возникающее при движении водных растворов относительно тканей организма.

Таблица 4

Значения энергии, сообщаемые соединениям ионов электрическим полем (относительно иона водорода)

Сопоставление воздействий электрического поля на главные ионные соединения внеклеточных растворов

Значения энергии, представленные в табл. 4 и на рисунке, указывают на существенное различие электрических характеристик веществ. При прочих равных условиях электрическое поле существенно слабее воздействует на ионы калия и рубидия по сравнению с воздействием на ионы натрия, лития, цезия и кальция.

Электрическое поле в биологических организмах формируется при движении водных растворов относительно тканей. Величина напряженности электрического поля (E), возникающего при движении раствора со скоростью v, удельной диэлектрической проницаемости e, удельного электрического сопротивления r через капилляр радиусом r0, выражается известной [7] формулой:

.

Электрический потенциал клеток больше потенциала окружающего пространства. Вектор напряженности, как силовая характеристика поля, направлен противоположно движению растворов и препятствует поступлению катионов в клеточное пространство из межклеточного. Препятствие поступлению калия и рубидия минимально по сравнению с остальными катионами. Существенно меньшая распространенность в природе рубидия, по сравнению с калием [3], объясняет преимущественность накопления в клетках соединений калия.

Таким образом, определяется физическая предпосылка перераспределения веществ между клетками и межклеточными пространством: воздействие электрического поля, образующегося при движении растворов относительно биологической ткани (в частности – мембраны клеток). Данная предпосылка может быть учтена только в случае разработки и применения принципиально новой физической модели мембранных процессов [6].