Квантовая природа 0-100% скачка «текучести» эритроцитов  через микрокапилляр и снижения  «вязкости» гемоглобина при температуре 36.5±0.5 °С

Предложена и экспериментально обоснована гипотеза о квантовой природе 0-100 % скачка «текучести» эритроцитов, обнаруженного ранее [G.Artmann et al.].  
    Прохождение эритроцитов, доставляющих кислород ко всем органам, через капилляры имеет фундаментальное значение для обеспечения жизнедеятельности организма, особенно в экстремальных ситуациях и повышенных нагрузках, например, в спорте.
    Десять лет назад [1] был обнаружен скачок 0-100% «текучести»  эритроцитов человека в капилляре при отборе пробы пипеткой с диаметром канала 1.3±0.2 мкм, обеспечивающей перепад давления 2.3 кПа. Наиболее удивительным было то, что скачок наблюдался в очень узком температурном диапазоне, 36.4±0.3 0С, совпадающем с нормальной температурой человека.
     Было установлено, что при температуре ниже скачка эритроцит частично втягивался в микрокапилляр, теряя при этом до 20 % воды, и оставался на конце пипетки, как упругий мячик. Заметим, что диаметр эритроцита (около 7 мкм) существенно больше диаметра пипетки. При температурах выше скачка, эритроцит сжимался, втягивался в капилляр и проскакивал его с большой скоростью за несколько секунд, при этом объем эритроцита в капилляре уменьшался более чем вдвое. Это уменьшение сопровождалось потерей воды до 55% через водные каналы белка аквапорина в мембране эритроцита [1].
     Кроме этого при поисках механизма наблюдаемого явления было установлено, что вязкость водного раствора гемоглобина, извлеченного из эритроцитов, уменьшается почти на порядок в окрестности этой температуры при увеличении (!!!) его концентрации в растворе в 1.7 раза.
     За прошедшие годы группа G.Artmann  провела большое число различных экспериментов с целью выяснения природы этого скачка с использованием разных физических методов: ЯМР-спектроскопия, спектроскопия рассеяния, измерение дихроичности и ряд других. Однако механизм этого явления остается до конца невыясненным [2]. Самый главный вопрос: «Почему скачок происходит при температуре 36.5 °С?». При этом остался не замеченным  «скачок» (от 20 до 55%) проницаемости молекул воды через оболочку эритроцитов в узком температурном диапазоне.
     Нам представляется, что мы нашли ответ на этот вопрос.
     Мы обратили на отмеченные факты особое внимание, поскольку, на наш взгляд, они прямо указывает на роль воды в этом явлении. В первую очередь, на определяющую роль воды указывает значение температуры скачка: при этой температуре у воды, как хорошо известно, наблюдается минимум теплоемкости при постоянном давлении. Кроме этого в ранних наших работах [3] мы обнаружили скачок центра ОН полосы в спектре комбинационного рассеяния в дистиллированной воде к окрестности температуры 36-37 °С, который интерпретировали как проявление фазового перехода второго рода, отражающего перестройку структуры сетки водородных связей, т.е. структуры воды, которая является определяющим фактором в рассматриваемом явлении скачка эритроцитов.
     Заметим, что до настоящего времени наблюдаемые особенности свойств водных биорастворов обсуждаются без привлечения квантовых характеристик молекул Н2О, например, их отличия по ориентации спина протона. Эти, сугубо квантовые, не имеющие классического аналога характеристики могут проявляться, как нами было установлено недавно,  именно в окрестностях температур особых точек воды, например, 4, 20, 36-37 °С и др. [4].  
     Известно, что ядерные, орто и пара спин-изомеры молекулы Н2О [4] отличаются взаимной ориентацией спина парных протонов 1Н: параллельной и антипараллельной, соответственно. Поэтому равновесное орто/пара отношение согласно квантовой статистике равно 3:1, например, в воздухе при комнатной температуре [4]. Орто/пара конверсия в отдельной молекуле строго запрещена в дипольном приближении. Например, жидкий пара-водород может сохраняться до года с медленным спонтанным обогащением орто-изомерами, механизм которого неясен. Однако присутствие катализаторов в виде парамагнитных примесей, таких как, кислород, железо, медь или других переходных металлов, существенно увеличивает скорость орто-пара конверсии.
     Экспериментальные данные
     Методом четырехфотонной спектроскопии движения молекул Н2О в воде и водных растворах биополимеров  в тера и субтерагерцовой области спектра [5] нам впервые удалось обнаружить резонансные линии вращательных переходов орто-пара спин-изомеров Н2О. Более того, было установлено, что в растворах белков и ДНК наблюдалось селективное взаимодействие биополимеров с пара-молекулами Н2О [6]. На рис.1 представлено два спектра четырехфотонного рассеяния в воде в ТГц области частот из нашей работы [6].
     Из рисунка видно, что спин-селективное взаимодействие проявляется в подавлении линии пара-молекул (79.8 см-1) в спектре (квадраты). Мы считаем, что этот факт отражает формирование гидратных оболочек из пара-молекул. В изящном эксперименте со взвешанными в воде наносферами G. Pollack [7] показал, что формирование контактного гидратного слоя структурированной водой на поверхности геля сопровождается полным вытеснением наносфер.
     Предположим, что структурированная вода в слое имеет структуру льда. Такое возможно. Сравнительно недавно [8] было показано, что гидратный слой, так называемых, антифризных белков (хитин у насекомых) имеет гексагональную структуру льда Ih. Тогда вытеснение наносфер из гидратного слоя  [7] может быть обусловлено вытеснением всех примесей при формировании льдо-подобной структуры в слое у поверхности геля.
     Более того, недавно [9] мы обнаружили, что ОН полоса комбинационного рассеяния в воде комнатной температуры содержит спектральную компоненту (3220 см-1), характерную для массивного льда. При повышении температуры воды было установлено, что амплитуда этой компоненты уменьшается, но остается обнаружимой в воде вплоть до температуры кипения,  как показано на рис. 2.
     Совокупность изложенных экспериментальных фактов дает основание предположить, что вода в гидратных слоях биомолекул, скорее всего, имеет льдо-подобную структуру. Селективное взаимодействие (см. рис.1) пара-изомеров Н2О с белками в водных растворах позволяет ожидать, что гидратная оболочка образована преимущественно пара-изомерами. Поэтому концентрация свободно-вращающихся [3] молекул пара-Н2О вблизи гидратной оболочки будет выше, поскольку они находятся в динамическом равновесии с водородосвязанными молекулами оболочки.
     Учитывая, что спин-спиновые и магнитные взаимодействия индуцируют конверсию орто и пара-изомеров при столкновениях при наличии катализатора (железо, медь, кислород и др), привлечем обнаруженное нами ранее [4] совпадение энергии квантов (hΩ) вращательных переходов изомеров Н2О и тепловой энергии kT в окрестности 36-37 °С для понимания механизма скачка. Анализ спектров молекулы Н2О показал, что существует резонанс энергий вращательного перехода (331-202) и тепловой:
     
     квант hΩ[(331-202) = 215.13 см^-1 ] = kT(при t =36.6 °С)  (1)
    
     Рис.3 показывает взаимное положение расчетного контура резонансной линии перехода 331-202 пара-изомера Н2О (сумма нижних индексов четная) и скачка проницаемости эритроцитов [1]. Как видно из рисунка совпадение резонансной частоты с энергией теплового движения в окрестности температуры скачка лучше, чем ожидалось.
     Т.о. нам удалось найти один из принципиальных параметров, а именно, значение температуры 36.6 °С в механизме скачка. Остается вопрос, как достигается лавино-образной характер скачка в узком диапазоне температур при сглаженной форме функции Максвелла распределения молекул по тепловым скоростям [4]?
    Столкновительный механизм накачки и резонансной передачи возбуждения в гелий-неоновом лазере поддерживает возможность резонансного обмена и при столкновениях. Для обоснования лавины примем во внимание другое аномальное явление [1] при температуре 36.6 °С: снижение почти на порядок вязкости водного раствора гемоглобина при повышении его концентрации в 1.7 раза.
     Тогда выстраивается следующая цепочка процессов в предлагаемом механизме: (1) – в окрестности температуры 36.6 °С возрастает вероятность резонансных столкновений (см. (1)), которые переводят изомеры пара-Н2О в возбужденное состояние  331 (285.219 см^-1); (2) - близко расположенный уровень орто-изомера 330 (285.419 см^-1) допускает образование смешанного состояния, из которого молекула может выйти орто-изомером, что приведет к нарушению динамического равновесия с пара-молекулами в гидратном слое, число которых будет уменьшаться; (3) - гидратный слой Н2О около белка гемоглобина будет истончаться («плавиться»); (4)-молекулы гемоглобина будут сближаться друг с другом (под действием давления пипетки); (5)-концентрация железа и кислорода (катализаторов конверсии) в единице объема будет увеличиваться; (6)- конверсия пара-орто Н2О и разрушение гидратной оболочки будет ускоряться; и (7) - будет формироваться лавинно-образный скачок сжимаемости и проницаемости эритроцитов через микрокапилляр.
    Заметим, что освободившиеся орто-молекулы будут находиться в возбужденном состоянии на уровне 330 (285.419 см-1), т.е. вращаться интенсивнее, чем при комнатной температуре (~202 см-1) и покидать эритроцит через водные каналы аквапорина в оболочке, что и наблюдается (до 55%) в эксперименте [1].  Предложенный механизм объясняет и аномалию уменьшения вязкости водного раствора гемоглобина при температуре 36.6 °С: повышение его концентрации способствует повышению плотности катализаторов и ускорению разрушения гидратного слоя, сопровождающегося увеличением вращающихся орто-молекул в растворе и снижением вязкости.
     Медицинский аспект и проявление данного явления в живом организме.
    Прикладной аспект и следствия предложенного квантового механизма скачка транспорта эритроцита через микрокапилляр более очевидны, несмотря на кажущуюся простоту.  
1. Например, предотвращение образование гематомы при травмах и ушибах локальным охлаждением ткани обычно объясняют только температурным сужением сосудов. Так ли это? Мы знаем из практического опыта, что достаточно приложить (немедленно после ушиба) металл (ложку, половник, монеты) даже комнатной температуры (не температуры жидкого азота!), чтобы заметно блокировать образование гематомы. Зная рассматриваемое выше явление, можно заключить, что наряду с температурным сужением сосудов (холодовое сжатие мышцы) может включаться рассматриваемый здесь механизм непроницаемости микрокапилляров для эритроцитов, препятствующий вытеканию крови из разорванного капилляра при локальном понижении температуры ткани от 37 °С всего на 0.7-2 °С.  
2. Локальное обморожение носа, щеки или пальцев и пр. Локальное снижение температуры на 1-2 градуса блокирует проницаемость эритроцитов, которые доставляют кислород к поверхности кожи по микрокапиллярам, и процесс усугубляется вплоть до некроза тканей.
3. Достижение максимальной отдачи мышц при контрольном прыжке (в спорте) при подогреве всего тела до последнего капилляра на ногах и пальцах до температуры выше 36.6 °С.
     Подобные примеры каждый может найти сам, если обсуждаемый механизм имеет место в живом организме.
    Таким образом, предложен и обоснован физический механизм наблюдаемого 0-100% скачка проницаемости эритроцитов через микрокапилляр при температуре 36.6 °С, который учитывает сугубо квантовые свойства молекул воды, отличающихся взаимной ориентацией спина протона. Практические следствия этого механизма иллюстрируют его вероятные проявление в живом организме. Возможно, что подобный механизм запускает процесс деления клеток, например, при температуре инкубатора 37-38 °С в изолированной системе куриного яйца или начало сокодвижения и распускания почек при t = 19-20 °С с kT, резонансной переходам 331-440 и 330-441.
    Надеюсь, что эти предположения будут обоснованы вами, молодыми физиками физфака МГУ.

 С.М. Першин,
 выпускник физфака 1972 г., д.ф.-м.н.
Научный центр волновых исследований
Института общей физики им.А.М.Прохорова РАН,
119991, Вавилова 38, Москва,
pershin@orc.ru