Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,775

ФИЗИЧЕСКАЯ ПРИЧИНА ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЯ ГЛАВНЫХ ХИМИЧЕСКИХ КОМПОНЕНТОВ В КЛЕТОЧНЫХ РАСТВОРАХ

Романов А.М. 1
1 Институт геофизических исследований
В процессе жизнедеятельности организмы поглощают природную воду. В природной воде содержания натрия обычно превышают содержания калия. В поглощенной воде соотношения натрия-калия изменяются: в межклеточных растворах они увеличиваются, а во внутриклеточных – возрастают до резкого преобладания содержаний калия над остальными катионами. Методом исключения устанавливается, что наиболее вероятной физической причиной этого является электрическое поле, селективно препятствующее поступлению различных катионов, в клетку. Наименьшее препятствие электрическое поле оказывает поступлению калия и рубидия. В связи с малыми концентрациями рубидия в природных водах основным накапливаемым элементом в клетках является калий. Объяснение природы накопления доказывает, что основной физической причиной перераспределения главных химических компонентов в клеточных растворах является электрическое поле. Поле формируется в результате движения растворов относительно твердой фазы организмов, в частности – через мембраны клеток. Отсюда следует необходимость разработки нового представления о перераспределении химических компонентов в клеточных растворах.
химические компоненты
растворы
клетка
1. Барон Н.М., Пономарева А.М., Равдель А.А., Тимофеева З.Н. / Краткий справочник физико-химических величин. – Л.: Химия, 1983. – 232 с.
2. Биофизика / В.Ф. Антонов, А.М. Черныш, В.И. Пасечник, С.А. Вознесенский, Е.К. Козлова. – М.: Гуманит. изд. центр ВЛАДОС, 1999. – 288 с.
3. Войткевич Г.В., Мирошников А.Е., Поваренных А.С., Прохоров В.Г. Краткий справочник по геохимии. – М.: Недра, 1970. – 278 с.
4. Зверев В.П. Гидрогеохимия осадочного процесса. – М.: Наука, 1993. – 171 с.
5. Овчинников И.К. Теория поля. – М.: «Недра», 1979. – 352 с.
6. Романов А.М. Электрохимические процессы биосферы и литосферы. – Екатеринбург, УИПП, 2012 – 133 с.
7. Скорчеллетти В.В. Теоретическая электрохимия. – Л.: Химия, 1969. – 608 с.
8. Шмидт Р.Ф., Тевс Г. Физиология человека. – М.; Мир, 2005. – 323 с.

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

Горные породы

Твердая фаза ( %)

Жидкая фаза (мг/л)

Состав:

Na

K

Na/K

Na

K

Na/K

Ультраосновные

0,5

0,03

19

3,2

0,15

21,3

Основные

1,9

0,8

2,3

59

2

29,5

Средние

3

2,3

1,3

6,3

1,6

3,9

Кислые

2,7

3,3

0,8

2,4

0,5

4,8

Осадочные

0,7

2,3

0,3

32,8

3,6

9,1

 

– 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 2

Внутри- и внеклеточные концентрации ионов веществ в мышечных клетках гомойотермных животных. Данные [2, 8]

Компонент

В клетке

Вне клетки

Ионный радиус

ммоль/л

10-10м

K+

155

4

1,33

Na+

12

145

0,98

Ca2+

0,00005

2

1,04

Cl-

4

120

2,22

HCO3-

8

27

1,58

Aнионы высокомолекулярные

155

   

Катионы (прочие)

 

5

 

Таблица 3

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

Ион

Валентность [1]

Ионный радиус r (*10-10м) [1]

Энергия (Аi/AH)

Cl-

– 1

1,72–1,81

0,055–0,058

НСО3-

– 1

1,58

0,063

OH-

– 1

0,35

0,285

Rb+

1

1,49–1,57

0,064–0,067

K+

1

1,33–1,46

0,068–0,075

Na+

1

0,95 – 0,98

0,102–0,105

Li+

1

0,60–0,82

0,122–0,167

Cs+

2

1,65–1,78

0,224–0,242

Ca++

2

0,99–1,06

0,377–0,404

H+

1

0,10

1

 

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

rom01.wmf

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)

Ион

Cl-

НСО3-

Rb+

0,010

0,003

K+

0,016

0,009

Na+

0,048

0,041

Li+

0,088

0,081

Cs+

0,177

0,170

Ca++

0,340

0,333

roman1.tif

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:

rom02.wmf.

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].


Библиографическая ссылка

Романов А.М. ФИЗИЧЕСКАЯ ПРИЧИНА ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЯ ГЛАВНЫХ ХИМИЧЕСКИХ КОМПОНЕНТОВ В КЛЕТОЧНЫХ РАСТВОРАХ // Успехи современного естествознания. – 2015. – № 1-7. – С. 1126-1129;
URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=35021 (дата обращения: 29.03.2024).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1,674