УДК 613.83

543.3

В представленной монографии собраны современные данные о физико-химических характеристиках индифферентных газов. В работе нашли отражение некоторые вопросы взаимодействия инертных газов со структурами воды в биологических жидкостях. Раскрывается механизм волновых эффектов. Изложены современные представления о биомедицинских свойствах благородных газов и водных структур биологических жидкостей.

Книга способствует взаимопониманию специалистов разных направлений – врачей, биологов, биофизиков

ISBN 5-98230-027-6

С О Д Е Р Ж А Н И Е

Введение ………………………………………..................................................................................................4 

   I. Физиологическое и биологическое действие инертных газов …......................................................6

1. Общие положения ……………………………………………………...................................................................6

2. Основные понятия и определения в физиологии инертных газов.....................................................12

  II. Водные структуры в биологических жидкостях ……………….............................................................15

  III. Физико-химические, биологические особенности  и свойства индифферентных газов....................33

1. Основные газовые законы …………………………………………................................................................33
2. Общие свойства индифферентных газов …………………………...........................................................36
3. Индивидуальные свойства индифферентных газов ……………..........................................................57
4. Поляризуемость и дипольный момент …………………………….............................................................87
5. Состояние инертных газов перед поступлением в организм ……....................................................101

  IV. Свойства газовых структур биологических жидкостей ..……........................................................114

  V.  Наркоз, вызываемый индифферентными газами ……………….......................................................148

  VI.  Постксеноновые эффекты ……………..........................................................................................161

Заключение……………………………………………………………......................................................................168

Приложение: Давление, единицы его измерения ……........................................................................170

Литература ………………………………………………………………...................................................................172

ВВЕДЕНИЕ

         Исследование общих и частных физиологических закономерностей реакций организма на дыхание инертными газами имеет существенное теоретическое и практическое значение, т.к. позволяет прогнозировать сдвиги его важнейших функциональных систем и проводить их коррекцию.

         Биологическим действием на организм человека в разной степени обладают все инертные газы, а также водород и азот при повышенном парциальном давлении в газовой смеси. Организм индифферентен к обычным (привычным) концентрациям указанных выше газов при нормальном атмосферном давлении. Однако, замена одного газа другим, например азота – аргоном, несмотря на их индифферентность, приводит к биологическим эффектам.

         Медицинская наука находится на самом начальном этапе применения инертных газов (Не, Аr, Kr, Xe) в лечебных, профилактических и реабилитационных целях. В этом отношении, расширение методов газоинертно-терапии при лечении соматических заболеваний, наркологии, неотложной медицинской помощи, при снятии хронической усталости, в спортивной медицине и др. является весьма перспективным направлением.

         С 1962 года получено около 250 химических соединений Xe, Kr и др. с фтором, кислородом, водородом, азотом, хлором. Группа исследователей из Хельсинки Петтерсон М., Лунделл Я, Рассанен М. (1995-2000 гг.) после лазерного фотолиза получили соединения НХеН (дигидридксенон), а затем целую серию гидридов Хе, в том числе НХеОН, НХеОХеН и др. Эти соединения интересны тем, что обладают высоким сродством к электрону, большим дипольным моментом и, с формальной точки зрения, представляют собой продукт внедрения атома ксенона в молекулу воды.

         Исследования механизма действия инертных газов на биологические объекты – это исследования в мире нанохимии – огромном мире, простирающемся от индивидуальных молекул до континуальных систем, составляющих фазу – кластер, газогидрат или постгазовый ассоциат (структура молекул Н₂О после ухода из полостей инертного газа). В этих наноструктурах происходят слабые межмолекулярные взаимодействия, не лишающие молекулы своей индивидуальности (в данном случае – это инертные газы). Свойства и поведение атомов и молекул газа в водных ансамблях (кластерах, газогидратах) другие, чем у индивидуальных молекул в основном состоянии. В механизмах биологического действия инертных газов чётко прослеживаются как свойства индивидуальных молекул (Н₂О и инертного газа), так и коллективные свойства. При объединении в кластер ряд физико-химических характеристик эволюционизирует в новые свойства фазы и при этом иерархия объединённого количества молекул ведёт к изменению физиологических, биологических свойств действующего начала. Самое главное в этих превращениях - поляризация тяжёлых инертных газов (Ar, Kr, Xe) и азота при нормальном и повышенном атмосферном давлении с возникновением у них дипольного момента. Именно это объясняет их биологическое действие на живой организм, в этом заключён и механизм возникновения наркоза.

Лёгкие инертные газы (Н₂, Не, в некотором смысле Ne) находятся в организме в физически растворённом виде, не образуя водных структур в биологических жидкостях, поляризуясь при очень сильных внешних воздействиях (температура, давление и др.), что неприемлемо для биологических структур. Поэтому, подходить в исследованиях биологического действия инертных газов необходимо с учётом деления на лёгкие и тяжёлые, на физико-химические особенности при поступлении в организм (увеличение количества возбуждённых столкновениями атомов), а также их последействие (например, постксеноновые эффекты).

В книге впервые рассматриваются значения фазовых переходов типа газ - жидкость-жидкость в биологических жидкостях в присутствии инертных (благородных) газов. Любые фазовые переходы всегда сопровождаются глубокими изменениями различных физических и химических свойств с неожиданно сильными физиологическими эффектами (например, наркоз инертными газами). При таких фазовых переходах в воде в присутствии инертных газов происходит радикальное изменение структуры связей молекул воды.

Полученные в последнее время экспериментальные данные (зарубежные и отечественные источники) указывают на появление в полостях ассоциатов воды (кластерах) очень большого дипольного момента (15-25 и более D). Это ещё раз подтверждает возможность проявления различных фазовых состояний инертных газов в этих полостях.

Происходящее структурирование водных образований в биологических жидкостях растворёнными в ней веществами (газами) приводит к созданию новых структур с новыми физико-химическими характеристиками только на момент нахождения в их полостях молекул воды.

Значение описанных эффектов (вода + инертные газы) ярко иллюстрирует анализ проблемы анестезиологического и наркотического действия индифферентных газов, которая вот уже более 70 лет застыла на одном месте.

Следует особо отметить стремление авторов привлечь внимание компетентных специалистов смежных областей наук. Найти единый подход к объяснению процессов на стыке физики, химии и биологии (биофизики).

Заключение

Не претендуя на полноту и однозначность восприятия представленного материала, тем не менее, авторы надеются, что высказанные теоретические и практические предложения, представленные концепции и гипотезы дадут новый толчок в исследовании биологического действия индифферентных газов на организм человека и животных. Более 70 лет ничего кардинального в этих исследованиях не предложено.

До настоящего времени отсутствуют чёткие методические подходы при изучении механизма действия инертных газов на биологические системы. Это затрудняет оценку эффектов непосредственно от инертных газов в их новом фазовом состоянии и эффектов последействия. В первую очередь, это относится к «тяжёлым» инертным газам (Ar, Kr, Xe и  N₂).

Как физико-химические характеристики, так и биологические свойства, лёгких (Н₂, Не, Nе) и тяжёлых (Ar, Kr, Xe и  N₂) инертных газов разнятся. Поэтому подход к изучению влияния их на живой организм должен быть разным, исходя из индивидуальных особенностей атомной структуры.

До настоящего времени  никем не получен наркоз (наркотический эффект) от неона и гелия. В первую очередь, для объяснения этой ситуации напрашивается мысль, что причиной этому может быть отсутствие их кластерной структуры в биологических жидкостях. Эти элементы в живом организме присутствуют только в одной фазе – газовой. Поэтому и действие их носит чисто механический характер. Причина кроется в электронной оболочке этих элементов, устойчивость которой не позволяет преодолеть барьер для поляризации и создания дипольного момента в водных структурах биологических жидкостей.

Эти же доводы можно отнести и к возникновению наркоза при дыхании водородом.

Необходимо больше внимания уделять активации и дезактивации инертных газов как перед поступлением в организм, так и в многокомпонентных структурах «гость-хозяин» при дыхании однородными и разнокомпонентными смесями.

От величины поляризации инертных газов необходимо переходить к расчёту их дипольных моментов в водогазовых структурах биологических жидкостей как при дыхании однокомпонентными смесями, так и многокомпонентными. Это позволит определить силу биологического действия газовых смесей и прогнозировать действия и последействия. Механизм действия инертных газов на биологические объекты необходимо рассматривать с позиций образования единого действующего комплекса: индифферентный газ и структуры молекул воды биологических жидкостей (кластеры, клатраты, газогидраты, включения – независимо от синонима).

Современная теория клатратных соединений,сформулированная более 60 лет назад Ван-дер-Ваальсом и Платтеу, основывается на предположениях,которые для многих  гидратных соединений находятся в резком противоречии с  полученными в последнее время экспериментальными данными. Кроме того,в экспериментах наблюдался целый ряд явлений,которые принципиально невозможно описать в рамках этой теории.Для разрешения этих противоречий в биологии и медицине необходим подробный термодинамический анализ свойств такого рода соединений на микроскопическом уровне в биологических жидкостях с максимально точным учётом всех возможных и присущих взаимодействий. Ввиду  сложности такого рода анализ пока возможно проводить  только теоретически.

Многочисленные современные исследования показали, что действие любого патогенного, в том числе и инертного, фактора изначально выражается в изменениях структуры белковых, органических и водных молекул. По мере накопления молекулярных изменений они начинают проявляться в нарушениях субклеточных и клеточных структур и  могут быть обнаружены при микроскопических изменениях тканей. Дальнейшее развитие патологического процесса может вызвать грубые макроскопические изменения структуры тканей и органов.

Постоянно меняющийся молекулярный состав биологических жидкостей, характер их взаимоотношений и структурные изменения самих молекул – есть та база, на которой формируется макроволновое поведение системы.

Структурной единицей функции органической материи является волновое излучение,  образующееся действующими молекулами в пределах спектра своих основных атомных колебаний. Для всех видов материи характерна эта фундаментальная форма движения. Биологические системы характеризуются чрезвычайно широкой гаммой разнообразных волновых колебаний. 

Состояние воды биологических жидкостей, определяет эффективность деятельности как соматических, так и нервных клеток, нервных импульсов  и  является существенным фактором для электрической (электромагнитной) активности систем живого организма. Например, ксенон обязан водным структурам организма приобретением широкого фармакологического полиморфизма и многостороннего действия. Это подтверждается как образованием (и физиологическим действием) различных структур воды, так и возникновением (биофизическим, а не метаболическим) ксенонового наркоза и постксенонового эффекта ассоциатов воды. При этом энергия внешнего воздействия на клетку, синапсы очень малая, а биологический ответ вполне значимый.

Процесс первичной электромагнитной рецепции частотной и амплитудной избирательностью. Именно от структурной организованности зависит механизм рецепции волновых сигналов в организме и его водных образований. Структуры воды живого организма излучают спектр от 270 до 750 нм. Выход за эти границы грозит функциональными, а затем и патологическими изменениями.

Необходимо подчеркнуть, что функциональные изменения идут не впереди морфологических, а являются исключительно следствием последних. До настоящего времени функциональными характеристиками (изменениями) заменяют отсутствующую оценку структурной организации тканей организма на молекулярном уровне. Необходимо учитывать, что особенно важно, первые изменения в живом организме затрагивают структурные образования биологических жидкостей  (нарушается их структурное (процентное) соотношение). Если они сохраняются, тогда мы отмечаем функциональные отклонения. Поэтому фармакокинетика инертных газов раскрывает широкие возможности коррекции реабилитации, профилактики и лечения различных соматических и психических заболеваний, а также различной симптоматики здорового человека (переутомление, спортивная усталость и др.). Дерзайте! Вольтер говорил, что успехи науки – дело  времени и смелости ума.