Большую часть своей сознательной жизни автор посвятил изучению различных типов буровых растворов и исследованию высокодисперсных материалов для регулирования структурообразования в них, для стабилизации прямых и инвертных (главным образом) растворов на углеводородной основе при бурении и вскрытии продуктивных объектов в особо сложных геологических условиях. Работа по созданию, не свойственных нашему гидрофильному миру, гидрофобных эмульсий, требовала понимания законов поверхностных процессов и явлений, для стабилизации поверхности раздела водной и углеводородной фаз (Примером стабильной прямой -"масло в воде" - природной эмульсии являются молоко и молочные продукты. Стабильные инвертные (обратные "вода в масле") эмульсии, как отмечалось ранее, природа не создает.) Чтобы преодолеть сопротивление гидрофильного мира, пришлось создать специализированные поверхностно-активные вещества (ПАВ), высокодисперсные наноматериалы - стабилизаторы поверхности дисперсной водной фазы, были разработать методы контроля и регулирования параметров системы.
В 1983 году эта работа была отмечена премией им. И..М. Губкина. В процессе этой работы были разработаны не только стабильные инвертные эмульсии, но и исследовано их влияние на живой организм, и на природу, в целом.
Приведенная ниже статья является, в некотором роде, продолжением этой работы, применительно к живой природе.
Автор выражает истинную благодарность Генриху Ходакову, чья статья в Электронном Научном Семинара (ЭНС) "Физико-химическая механика реологии сверхтекучести крови" [1] явилась побудительным началом на продолжение давно начатых исследований гидравлики человека и растений.
Поверхностные процессы и явления
Поверхностные процессы и явления, это довольно сложный раздел науки, относящийся к физической химии и к гидравлике. Но мало кто догадывается, что он является производным от гравитации, напрямую касается непосредственно каждого из нас, и всего окружающего нас мира. Не понимая сущности явления, мы, подчас, не обращаем внимания на жизненно важные просчеты, влияющие и на природные явления, и на собственное здоровье и благополучие.
Начну издалека. Кто задавался вопросом, почему большинство звезд и планет имеет шарообразную форму? Из-за того, что гравитация и огромная энергия поверхностного натяжения стягивает жидкость ради минимизации величины поверхности. По мере охлаждения и кристаллизации эта форма сохраняется в твердом состоянии.
То же мы наблюдаем на поверхности морей и океанов в безветренную погоду.
Каждый из нас знаком с этим со школьного курса, но никогда не примерял на себя, забывая, что все формы жизни, это гидравлические механизмы, подчиняющиеся всем законам гидравлики. Это тот первый уровень, предшествующий всей сложности биологических и даже психологических процессов, которые доступны узким специалистам в области биологии и медицины.
Сегодня каждый желающий имеет возможность заглянуть в любой энциклопедический справочник, чтоб выудить оттуда развернутое определение жизни, до конца доступное пониманию лишь тем же медикам и биологам.
В моем школьном учебнике определение жизни было коротким и четким.
Жизнь, - это форма существования белковых тел, существенным моментом которых является обмен веществ. Все. Коротко и ясно: жидкие белковые тела, а обмен веществ возможен в гидравлической системе только через какую-то разделительную поверхность. Следовательно, жизнь гидравлического механизма возможна при наличии некой межфазной поверхности. Без этой сложной категории (поверхность мембраны) жизнь невозможна.
На этой стадии уже каждый человек понимает, что речь идет об обмене веществ, или, как его называют медики, о метаболизме.
В настоящей статье автор ставит перед собой задачу выявить общие закономерности жизни на уровне гидравлики организма и физической химии поверхностных явлений.
Начну с того, что циркулирующая в организме жидкость, главным образом, структурирована (раздел неньютоновская гидравлика) за счет белковых соединений, белковых суспензий и эмульсий.
В технике подобные системы образуются добавкой загустителей и структурообразователей. Роль струкутурообразователя могут выполнять водорастворимые полимеры, а также нерастворимые в воде жидкости и твердые наполнители разной степени дисперсности, -от гравия до высокодисперсной глины, цемента, крахмала и муки. Как правило, состав загустителя выбирается по размеру частиц наполнителя (дисперсности), сортируемого, например, ситами. Этот примитивный метод сортировки весьма не точен, так как размер частиц разбросан в широком диапазоне (см. рисунок 1). Совершенно недопустимо использовать этот метод измерения дисперсности в нанотехнологиях, включая биологию, медицину и др.
Другой метод оценки дисперсности системы, весьма удобный для использования, по величине суммарной поверхности частиц в единице массы. Крупные частицы обладают низкой удельной поверхностью, а, по мере измельчения, удельная поверхность растет.
Как правило, удельную поверхность используют для определения усредненной характеристики размеров внутренних полостей (каналов, пор) в геологии и в подземной гидравлике. Но, как уже отмечалось выше, этот метод очень удобен для большинства высокодисперсных материалов (см. рис.2). Более того, использование этого параметра позволило обратить внимание на наличие некоторой зоны, характерной для подавляющего большинства живых организмов. Определить сегодня эту зону, без детальных исследований, автор не рискует. Но однозначно замечено, что некоторые овощи и даже крупные животные имеют сходные значения удельной микро- и макро- поверхности (но это требует накопления фактического материала, чтоб определить границы "живой" зоны). Если это подтвердится, то можно будет утверждать, что эти же значения удельной поверхности можно применять и на клеточном уровне. Но, повторюсь, это предварительные наблюдения и расчеты сугубо на совести автора (измерения проводились в домашних условиях на арахисе, помидорах, арбузах, тушках кур, индеек и др.).
Человеческий организм, как и большинства наземных животных, состоит из 70-80% воды, а в некоторых растениях воды содержится до 90% и более. Такое высокое содержание воды в живом организме невольно наводит на мысль о более значимой ее роли, нежели простой нейтральный растворитель или некая нейтральная среда.
Живые организмы строят свои тела, структуры, органы и жизнеобеспечивающие функции из тех материалов, которые их окружают в их естественной окружающей среде. Во-первых, эти материалы должны быть относительно легко доступны, во-вторых, они должны удовлетворять требованиям обеспечения комфортного существования организма, и, в-третьих, исполнять необходимые функции основного жизнеобеспечения, возложенные на них живым организмом.
Вода в организме исполняет роль универсального транспортного средства по доставке в организм и к каждому отдельному органу, вплоть до уровня каждой клетки, жизненно необходимые вещества и для удаления из него отработанных отходов. Этот сложнейший процесс обмена веществ базируется на законах прямого и обратного осмоса (Рис.3)..
Схема питания организма, роста и деления клеток (Рис.4 и 5) протекают в нормальном режиме только при условии, что на всех уровнях, включая разделительные мембраны капилляра (стенка) и мембраны каждой клетки взаимодействуют в едином режиме. При этом молодая клетка растет, увеличивая свою поверхность (в квадрате) и массу (в кубе). Естественно, при этом, удельная поверхность клетки снижается до некоторого уровня SqN, при котором она вынуждена делиться, чтоб восстановиться до состояния SqN+1, переходя в состояние интерфазы. В течение жизни организма таких циклов деления клетки насчитывается, по различным данным, от 50 до 55.
А теперь, представим, что произошли некоторые изменения на поверхности капилляра, или клетки. Естественно, нарушается нормальная трансмиссия питательных веществ в клетку. Это приводит систему капилляр-клетка в режим голодания. Рост клетки замедляется и выйти на удельную поверхность SqN ей не удается. Чтоб не погибнуть, клетка должна начать процесс деления раньше, чтоб выйти на интерфазу, от которой она может начать расти. Этот цикл повторяется и появляется колония клеток, растущих в более коротком темпе, которую мы определяем как опухоль.
Эта модель образования опухоли вытекает из чисто механистического, гидравлического, взгляда, не учитывающего многообразие и сложность других физиологических изменений в организме.
Так уж случилось, что волей провидения, автор вынужден был сопровождать супругу на курс химиотерапии в крупную израильскую больницу. Многих известных онкологов я доставал "дурным" вопросом, как соотносятся по размерам нормальная и раковая клетка на одном органе? У всех этот вопрос вызывал недоумение и непонимание. Никто никогда на обращал внимание на различие в размерах клеток. А жаль. Чисто математически этот первый уровень познания, весьма перспективен для рассмотрения.
Завершая этот раздел гидравлики и физической химии поверхности живого организма, хотелось бы обратить внимание на некоторые стороны организма, как гидравлической машины. Коль скоро в теле теплокровных живых организмов существует насос, обеспечивающий циркуляцию крови, мы убеждены, что этот насос ответственен за всю циркуляцию в организме, включая доставку крови к каждой отдельной клетке. Это грубейшая ошибка. Функция сердца - транспортировка жидкости по транспортным артериям и венам (у человека большой и малый круг кровообращения). Объем перекачиваемой сердцем крови (плотность- 1,050-1,054 г/см3), при пульсе 60 1/мин, составляет 3,6 л/мин - 5200 литров в сутки, при избыточном давлении над атмосферным от 2,3 кПа (70 мм. рт.ст.), до 16 кПа (120 мм. рт.ст.).. При этом скорость движения крови в артериях колеблется в интервале 0,2 -0,5 м/с, а в венах 0,1-0,2 м/с. Работа сердца при одном сокращении - 1дж.
Капилляры же представляют собой тончайшие сосуды, диамет-ром 5--7 мкм. Эти сосуды пролегают в меж-клеточных пространствах, тесно соприкасаясь с клетками органов и тканями организма. Суммарная длина всех капилляров тела чело-века составляет около 100 000 км, т. е. нить, которой можно было бы 3 раза опоясать земной шар по экватору. Физиологическое значение капилляров состоит в том, что через их стенки осущест-вляется обмен веществ между кровью и тканями. Стенки капилляров образованы только одним слоем клеток эндотелия, снаружи которого находится тонкая соединительнотканная базальная мембрана.
Скорость кровотока в капиллярах невелика и составляет 0,5-- 1 мм/с. . Небольшая толщина слоя крови (7--8 мкм) и тесный контакт его с клетками органов и тканей, а также непре-рывная смена крови в капиллярах обеспечивают возможность обмена веществ между кровью и тканевой (межклеточной) жидкостью.
В тканях, отличающихся интенсивным обменом веществ, число капилляров на 1 мм2 поперечного сечения больше, чем в тканях, в которых обмен веществ менее интенсивный. Так, в сердце на 1 мм2 сечения в 2 раза больше капилляров, чем в скелетной мышце. В сером веществе мозга, где много клеточных элементов, капил-лярная сеть значительно более густая, чем в белом.
С точки зрения физхимии, для нормального протекания процессов обмена веществ скорость движения крови в капиллярах должна быть на 2-3 порядка меньше (0, 0005- 0,002 м/с), чем в транспортных артериях и венах. С позиций гидравлики, это "стоячее болото" на продвижение которого энергии сердца недостаточно. Но недопустимо, чтоб кровь в капиллярах застаивалась и оставалась неподвижной. Проталкивание крови в многочисленных капиллярах должно осуществляться или мышечным сокращением, или иным непонятным способом. Особенно, если учесть, что в тупиковых капиллярах (прорастающих в новые ткани) должно осуществляться проталкивание плазмы в лимфатические капилляры.
После длительного поиска, автору прислали из США удивительную фотографию кровеносного капилляра, которой считаю необходимым поделиться с читателями.
Оказывается на каждом капилляре имеются перетициты, ответственные за соблюдением режима движения крови.
Специального рассмотрения заслуживают процессы обмена между кровью и тканевой жидкостью. Через сосудистую систему за сутки проходит 8000--9000 л крови. Через стенку капилляров профиль-тровывается около 20 л жидкости и 18 л реабсорбируется в кровь. По лимфатическим сосудам оттекает около 2 л жидкости
Можно с уверенностью утверждать, что столь сложная система обмена веществ через стенки капилляров и поверхность клеток, циркуляция и выравнивание концентрации внутри клетки и последующее распределение между соседними клетками, процесс долгий и при малейших сбоях склонен к нарушению.
Первые выводы из этого раздела.
Обратите внимание, на чем застопорилась наука в решении проблемы рака [2]. На раннем обнаружении первых раковых клеток в организме.
Даже при условии, что ведется регулярная профилактическая проверка, корреляционная вероятность опоздания засечь момент первого появления следов развития рака, приближается к единице (почти закономерность). Опоздание, практически, неизбежно.
Возможно, когда-нибудь наступит время, когда перманентный контроль генома позволит оперативно и мгновенно раскрыть эту тайну организма. Но сегодня за раскрутку этой диагностики человечество должно расплатиться сотнями миллионов жизней. Цена огромная.
Если же наше предположение, что контроль удельной поверхности клетки в раковоопасной области позволит выявлять режим "голодания" клетки по повышению величины удельной поверхности и исследовать диапазон удельной поверхности, при котором начинается ускоренное деление клетки, это может стать косвенным сигналом выделить опасную зону, предрасположенную к раку, задолго до того, как будут получены результаты генетического контроля.
Наука не должна пренебрегать столь простым экспресс методом контроля.
.
Где сердце у растений?
Если законы гидравлики человека и теплокровных животных, в какой то степени, понятны из-за наличия органа провоцирующего циркуляцию, то законы гидравлики растительного мира, для непосвященного в механизмы биологии, покрыты полным мраком. Об этом можно судить по публикациям в ЭНС [2]. В этом нет ничего удивительного. Только специалисты в области физической химии поверхности способны проникнуть на биологическую кухню, пытаясь понять, как удается собрать и поднять на огромную высоту, если речь идет о высоких деревьях (секвойях), огромные объемы воды и не замечать никаких следов воды при разрушениях ствола и кроны.
Автор внимательно ознакомился с мнением Генриха Ходакова [1], понимает его логические и математические построения, но так и не может принять предложенную логику и схему растительной "гидравлической машины". Скорее всего, замысел Творца растительного мира, был гораздо проще и изящней.
Все попытки препарировать дерево (растение) ни к чему членораздельному не приводят. Поэтому, предлагаю пойти от обратного и начать прослеживать процесс с момента зарождения растительного организма.
Обратим внимание на огромное дерево, в ствол которого вгоняем гвозди, высверливаем отверстия, срезаем наросты и нижние ветви, и, наконец, валим дерево на землю, сохраняя пенек. Ни единое предположение об огромных давлениях гидростатического столба жидкости не подтверждается. Подчас и нескольких капель жидкости не удается извлечь из капилляров. Даже у животных типа жирафы, защищенного мощными обратными клапанами, малейшая ранка приводит к кровотечению и к гибели. А дереву, хоть бы что, ни единой капли (за редким исключением).
Не знаю, откуда появились цифры об огромных объемах перекачиваемой воды, но, как гидравлик, практикующий в области капиллярных процессов, не могу себе представить, что через ствол и узкие проницаемые кольца циркулируют огромные объемы воды только за счет капиллярного подпора.
Короче говоря, все не в струю теоретических построений.
После долгих попыток разобраться в противоречиях, решил начать с самого начала развития растения.
Сажаем в землю зерно. Проклюнувшись, оно начинает распространять вокруг себя плотную паутину микроскопических корневых волосков, адсорбирующих на себя влагу и, используя капиллярный эффект, поднимает воду на некоторую высоту, наполняя капилляры рядом лежащего (на том же уровне) зерна и создавая обратную циркуляцию. Заполненная водой система формирует своеобразный сифон до появления первых листиков. Процесс пошел и листики поддерживают дальнейший рост корневых капилляров. Но, по мере того, как стволовая часть растения поднимается на недосягаемую для капиллярного подъема воды высоту, к капиллярному давлению добавляется некоторое разряжение из-за интенсивного испарения воды зеленой массой. По логике вещей, необходимо устанавливать обратный клапан, или устройство типа вантуза. Но, на этом логика технической гидравлики обрывается.
Вернемся вновь на начальный период развития и представим, что на уровне корня начинает развиваться замкнутый СИФОН с односторонней подпиткой.
Сифон ("трубка; насос") -- изогнутая трубка с коленами разной длины, по которой жидкость поступает из сосуда с более высоким уровнем в сосуд с более низким уровнем жидкости. Для обеспечения работоспособности сифон необходимо предварительно заполнить жидкостью (Википедия).
Вот он, тот самый сифон между лубом-камбием (с одной стороны) и сосудами сердцевины (с другой), который постоянно заполнен и способен пропускать через себя огромные массы воды при сравнительно небольшом перепаде давления. Длина пути, при этом, особой роли не играет, а расход зависит только от степени испарения и создаваемого вакуума.
Именно принцип сифона объясняет, почему срезая верхние побеги дерева (сифоны второго и третьего этажа), мы можем обновлять крону, и, почему после среза дерева, на пне не остается следов воды (происходит разрыв струи и сифон мгновенно перестает работать).
В заключение, хочу предположить, что в гидравлической замкнутой системе животного и человека, при внимательном исследовании, также можно найти элементы сифона, что может объяснить те элементы сверхтекучести крови, которые смущают многих исследователей.
Библиография.
1 Генрих Ходаков, Физико-химическая механика реологии сверхтекучести крови.
