Фундаментальное явление микромира: 21-частичные группировки

    В первой статье сайта описано явление 21-нуклонной кластеризации в атомных ядрах и 21- нуклонная ядерная периодичность подобная «короткой» менделеевской химической периодичности. Показано, что соотношение протонов и нейтронов n  в кластерах закономерно меняется по мере роста атомного веса А, при этом среднее («идеальное») соотношение составляет 8p к 13n. Этот вид структурирования атомных ядер интересен, в частности, тем, что он сосуществует с другим видом структурирования – ядерными оболочками. Учитывая множество параллелей в поведении и свойствах нуклонов и электронов, можно предположить, что электроны тоже склонны к образованию замкнутых 21-электронных группировок, и если 21-электронная кластеризация действительно существует наряду с оболочечной организацией многоэлектронных ансамблей, значимость этого явления для понимания строения окружающего мира трудно переоценить.

    Такое предположение впервые было сформулировано около 40 лет назад [1]. В качестве основного доказательства существования 21-электронных группировок рассматривался очень необычный и малоизвестный класс интерметаллических соединений – «электронные соединения» или «фазы Юм-Розери» (к их числу относится и обыкновенная бронза Cu5Zn8). Их необычность подчеркнута в самом названии «электронные соединения»: перебирая разные соотношения компонентов в бинарных металлических сплавах, металловеды обнаружили особые кристаллические фазы, характерные тем, что в них, в отличие от других химических соединений, наряду с кратностью атомных отношений постоянными оказываются отношения числа валентных электронов к числу атомов – 21/12,  21/13  и  21/14 (правило Юм-Розери).

    Для иллюстрации привожу небольшой список  «электронных соединений» [2,3]:

                        21/14                               21/13                        21/12 

                        CuZn                               Cu5Zn8                       CuZn3

                        Cu5Si                              Cu9Al4                        Au5Al3

                        Ag3Ga                              Au9In4                       Ag3Sn

                        Au3Al                               Na31Sn8                     CuCd3

     «Электронные соединения» имеют металлическую проводимость (являются металлами) и из всех известных интерметаллидов металличность свойств выражена у них едва ли не в наивысшей степени. Поскольку металлическая проводимость предполагает «электронный газ», состоящий из коллективизированных, оторвавшихся от своих атомных остовов валентных электронов, «электронные соединения» дают основание полагать, что они отражают общее для всех металлов, но в других случаях скрытое, явление 21-электронной кластеризации электронов проводимости в гигантской металлической «молекуле». Не лишне отметить, что ядерная связь, имеющая сходство с химической связью (свойство насыщения – прежде всего), проявляет наибольшее сходство именно с металлической связью. Аналоги "электронных соединений" c другими числовыми соотношениями неизвестны, хотя со времени открытия прошел почти век.

    При исследовании «электронных соединений» и попытках дать теоретическое обоснование их образования было отмечено, что такие соединения возникают между металлами с близкими атомными характеристиками (ионные радиусы, электрохимические свойства и др.). Джонсом было показано [4,5], что электронные концентрации, точно соответствующие правилу Юм-Розери, можно получить в рамках зонной теории, если и атомы, входящие в соединение, и валентные электроны считать неразличимыми.

    Факты свидетельствуют, что 21-частичные группировки играют важную роль в строении и самоорганизации живого, органического вещества; остальная часть статьи посвящена этому явлению. Ярко выраженный транс-дисциплинарный характер обсуждаемой темы (атомное ядро – интерметаллиды и металлы – живое вещество) является обстоятельством, осложняющим  и изложение и восприятие материала, и может породить «здоровое» раздражение у специалистов узких областей. Прошу не судить слишком строго.

    Структура белков в химическом отношении и проста и очень сложна одновременно. Они представляют собою линейные цепочки однотипных аминокислотных звеньев - NH – C(R)H – CO - , где R – боковые группы разного состава и сложности, начиная с самого простого атома H (аминокислотный остаток лизин); длина этих спиральных цепочек достигает нескольких миллионов звеньев. В данной связи эта структура интересна тем, что в валентных оболочках атомов ее звена в сумме находится 21 электрон (5+1+4+1+4+6), если не считать боковые группы R. Само по себе, взятое отдельно, это наблюдение могло бы показаться «притянутым за уши», но и углеводы (целлюлоза, крахмалы и др.), построенные также по цепному принципу из одинаковых звеньев с брутто-формулой C6H10O, имеют сумму электронов в валентных оболочках атомов звена равную 64, т.е. на единицу больше числа кратного 21-му. Цепи, однако, могут разветвляться (крахмалы и др.) и тогда звено, где вместо атома H появляется боковая цепь, содержит в валентных оболочках атомов «ровно» 63 электрона. Т.е. , как и в белках, природа, по всей видимости, «предусмотрела» определенную вариативность, заложенную в боковых цепях, в сочетании с единой жесткой основой в главной цепи.

    Присмотримся к структуре жиров, являющихся триглицеридами жирных кислот:   R1 – CO – O – CH2 – CH(O –CO – R2) – CH2 – O – CO – R3 , где R – алкильные цепочки разной длины. Фактически они  состоят из групп  –CH(O – CO – R)–  и двух концевых атомов Н. Если, как в случае белков и углеводов, не брать в расчет R и концевые Н, то такие группы содержат в валентных оболочках атомов по 21-му электрону.

    В совокупности белки, жиры и углеводы составляют основу живого вещества и уже потому отмеченное подобие их электронной структуры представляет повышенный интерес. Но это еще не все «совпадения» («настоящие ученые» имеют возможность  от души посмеяться). – Из несметного множества возможных вариантов структуры боковых цепей R  белки – неизвестно почему – «выбрали» только 21 вид (имеются в виду белки, не содержащие небелковые, простетические группы) и никто не понимает, почему выбраны именно эти. (Сверх «избранных» видов встречается ряд их же производных, но они имеют вторичную природу, возникают не в процессе синтеза белка.) Помимо этого в углеводных цепочках звено С6Н10О5 состоит, как видим, из 21 атома, а в жирах алкильные боковые цепи R, согласно известному курсу «Химия - в центре наук» [6], содержат до 21 атома углерода, в то время как полиэтиленовая цепь, например, может иметь длину в миллионы атомов углерода, нисколько не теряя устойчивости. В белках (вы будете смеяться) тоже просматриваются 21-атомные группировки: 7 шестиатомных звеньев основной цепи почти точно соответствуют двум виткам белковой альфа-спирали и еще точнее - двум "единицам Астбери".

    Мир биохимических явлений безмерно сложен и я сознательно остановился на тех структурах, которые являются универсальными, определяющими само существо жизни. Приведу еще один подобный пример. Источником энергии практически  всех биохимических процессов являются молекулы аденозинтрифосфата (АТФ), своего рода  «батарейки», параллельно выполняющие и другие важные функции. Они отдают запасенную энергию через последовательное отщепление двух молекул фосфорной кислоты и превращаются в аденозинмонофосфат (АМФ), способный к повторным «зарядкам». В разряженной «батарейке» АМФ, имеющей брутто-формулу  С10Н14N5О7Р, в  валентных оболочках атомов содержится 126 электронов, - шесть 21- электронных групп. – Снова встречаем сочетание вариативной и жестко заданной кластеризованной составляющих. (При этом промежуточный между АТФ и АМФ аденозиндифосфат состоит из 42 атомов…).

    Молекулы АТФ являются удобным «мостиком» к молекулам ДНК, также не обойденным численными «совпадениями», но прежде рассмотрим одну общую особенность органических веществ, на которую обращают незаслуженно мало внимания, и которая, видимо, является ключом к пониманию происхождения кластеризации. - Валентные оболочки атомов легких элементов, из которых построено и живое вещество, в результате химического взаимодействия «перемешиваются» и «усредняются». Например, характеристики угарного газа СО, состоящего из атомов соседних с азотом элементов, поразительно похожи на характеристики азота N2. Нитрид бора BN поразительно похож на алмаз, почти не уступая ему в твердости, а B3N3H6 по строению и многим свойствам подобен бензолу С6Н6. Усредняются также электронные орбитали и валентные связи. Так, валентные электроны атома углерода имеют симметрию s2p2 и в соответствии с принципом Паули имеют разные энергии связи, но в молекуле метана СН4 эти четыре электрона образуют с атомами водорода абсолютно равноценные связи. Такое выравнивание объясняют гибридизацией электронных орбит, дающей энергетический выигрыш и рост устойчивости  возникающей структуры, причем гибридизация в равной мере охватывает и электроны неподеленных пар валентных оболочек. В молекуле бензола, имеющей кольцевую ненасыщеную структуру, по той же причине все связи между атомами углерода абсолютно одинаковы, т.е. оказываются не чередующимися двойными и одинарными, а «полуторными». Выравнивание (гибридизация) и коллективизация, ведущие к «отмиранию» принципа Паули, видимо, являются той почвой, на которой выступает на первый план альтернативный вид структурирования, 21-частичные группировки.

    Молекула знаменитой дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) представляет собою две длинные цепные молекулы с ковалентными связями в цепях, звенья которых  попарно соединены водородными связями со звеньями второй цепи, причем в обеих цепях имеется всего 4 вида звеньев-нуклеотидов. Структура напоминает винтовую лестницу, замечательная особенность которой состоит еще и в том, что 4 вида нуклеотидов, обычно обозначаемых символами А, Т, Г и Ц, формируют с помощью водородных связей «ступеньки» из двух и только двух видов постоянных пар – либо А*Т , либо Г*Ц. Для удобства дальнейшего обсуждения запишем брутто-формулы нуклеотидов и подсчитаем числа атомов и  суммарные числа электронов в валентных оболочках их атомов:

                                        А       – (C10H11N5O6P) –     33 атома,   117 e  

                                               – (C10H13N2O8P) –     34 атома,   116 e

                  Г      – (C10H11N5O7P) –     34 атома,   123 e

                  Ц      – (C9H12N3O7P) –      32 атома,   110 е

    Все 4 нуклеотида структурно похожи друг на друга, но все же существенно различаются. Первое численное «совпадение» состоит в том, что сумма электронов валентных оболочек в паре А*Т равна 233 и в паре Г*Ц – тоже 233. Значит, 233 е образуют некую целостную устойчивую структуру, которая воспроизводит себя вновь и вновь? За этим «совпадением» таится цепочка или, скорее, система других «совпадений»: 233 = 21.11+2 = 77+79+77. 

    Т.е., во-первых, «ступенька» представляет собою систему из 11-ти 21-электронных кластеров плюс 2 е. Каждый нуклеотид в ней, похоже, имеет один активный электрон, который может вступать в химическое взаимодействие с окружающей средой, если получает доступ к этой среде (он надежно укрыт от среды), тогда как вся остальная структура является невариативной. Это выглядит тем более правдоподобно, что громадная по протяженности цепь ДНК  в ходе жизненного процесса постоянно испытывает многочисленные химические расщепления (в сущности разрушения) и последующие безошибочные восстановления целостности исходной структуры. Т.е. и расщепления и восстановления запрограммированы, обусловлены структурой ДНК.

    Во-вторых, все 4 типа нуклеотидов ДНК имеют одинаковую и структурно обособленную мощную боковую группу в виде фосфорилированной пентозы (брутто-формула C5H10O7P) , атомы которой в валентных оболочках содержат в сумме 77 е. Т.о. «ступенька», состоящая из пары нуклеотидов, соединенных водородными связями, на электронном уровне разбивается на 3 одинаковые части по 77 е каждая (плюс 2 активных электрона), из которых две боковые – постоянно существующие, а третья, срединная собрана водородными связями из двух неравных «половинок», находящихся в разных молекулярных цепях, и существует в режиме частых разделений-воссоединений. Одинаковость этих частей замечательна еще тем, что именно комбинации троек соседних нуклеотидов в цепи ДНК задают генетический код организма при синтезе белка, и за каждой тройкой, видимо, скрываются все те же устойчивые электронные структуры: 77+77+77 = 231 = 21.11.   

    Следует отметить, что эти «вычисления» выявляют еще один новый момент: 21-электронные кластеры возникают не только в молекулярных структурах, основанных на ковалентных связях, как это было продемонстрировано на примере белков, углеводов,  жиров и АМФ, но и на основе водородных связей, как это можно видеть на примере ДНК. Еще два важных проявления 21-частичной кластеризации в микромире приведены во второй статье сайта.

 

    Пытаясь оценить масштаб и место феномена 21-частичной кластеризации в общей картине природы, я прихожу к выводу, что кластеризация фермионов не конкурирует с оболочечными структурами и не противоречит принципу Паули, а дополняет  в духе «принципа дополнительности» Н. Бора. Когда-то В. Паули предлагал называть квантовую теорию «теорией дополнительности» (по аналогии с теорией относительности). - Похоже, пришло время «дополнить» и сам принцип Паули новым принципом.  Предлагаю название «принцип-21».

 

                                            СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.        Г.П. Гордеев, ЖОХ, т. 49, в. 5, 1178 (1979)

2.        А.П. Гуляев, Металловедение, М., 1986

3.        В.Д. Мелихов, А.А. Пресняков, Строение и свойства электронных фаз, М., 1973

4.        H. Jones, Proc. Roy. Soc., 144A, 225 (1934)

5.        H. Jones, Proc. Roy. Soc., 147A, 396 (1937)

6.        Т. Браун, Г.Ю. Лемей, Химия – в центре наук, т. 2, М., Мир, 1983

                                                                                                        24.06.2017

Статьи:

Обратная связь