Легкая вода и долголетие

 

О. В. Мосин (Россия, Москва), И. Игнатов (Болгария)

Народные легенды народов русского Севера про живую воду не были плодом фантазии. Люди давно заметили, что талая и ледниковая вода обладает целебными свойствами обладает. Позже ученые нашли объяснение этому феномену - в ней, по сравнению с обычной, гораздо меньше молекул, где атомы водорода и кислорода замещены их тяжелыми изотопами - дейтерием, тритием и кислородом ¹⁸O в составе тяжелой (D₂O), сверхтяжелой (тритиевой) (Т₂О) и тяжелокислородной (Н₂¹⁸O).

99,97% всей воды в гидросфере представлено водой химической формулы ¹Н₂¹⁶0, доля тяжелой воды D₂¹⁶0 составляет менее 0,02%. В среднем в природных водах в 10000 молекул содержится 9973 молекул H₂¹⁶O, 3 молекулы HD¹⁶O, 4 молекул H₂¹⁷O, 20 молекул H₂¹⁸O и около 2 молекул D₂¹⁶O. Еще реже, чем D₂¹⁶O, встречаются и девять радиоактивных естественных видов воды, содержащих тритий.

Химическое строение молекул D₂O аналогично строению молекул Н₂O, с очень малым различием в значениях длин ковалентных связей и углов между ними. Разница в молекулярных массах D₂O и Н₂O приводит к существенным различиям в физических свойствах тяжёлой воды. Тяжёлая вода кипит при 101,44⁰С, замерзает при 3,82⁰С, имеет плотность при 20⁰С 1,1053 г/см³, причём максимум плотности приходится не на 4⁰С, как у обычной воды, а на 11,2⁰С (1,106 г/см³). Большая прочность связи D-O, чем H-O, обусловливает различия в кинетике реакций тяжелой и обычной воды. Подвижность ионов D₃O⁺ на 28.5% ниже Н₃O⁺, а ОD^- - на 39.8% ниже ОН^-, константа ионизации тяжёлой воды в 5 раз меньше константы ионизации обычной воды. Эти эффекты отражаются на химической кинетике и скорости химических реакций в тяжёлой воде. Протеолитические реакции и биохимические процессы в D₂O значительно замедлены.

Тритий образуется под действием жёсткого радио- и нейтронного излучения в ядерных реакторах. В земных условиях тритий зарождается в высоких слоях атмосферы, где протекают природные ядерные реакции. Он является одним из продуктов бомбардировки атомов азота и кислорода нейтронами космического излучения. В небольших количествах тритиевая (сверхтяжелая) вода попадает на Землю в составе осадков. Ежеминутно на каждый 1 см² земной поверхности попадают 8-9 атомов трития. Тритиевая вода распределена неравномерно: в материковых водоемах ее больше, чем в океанах; в полярных океанских водах ее больше, чем в экваториальных. Во всей гидросфере Земли всего насчитывается около 15 кг Т₂О. По своим физическим свойствам Т₂О еще значительнее отличается от обычной воды: кипит при 104 °С, замерзает при 4,9 °С, имеет плотность 1,33 г/см³.

По физическим свойствам тяжелокислородная вода (Н₂¹⁸O) меньше отличается от обычной, чем тяжеловодородная (табл. 1). Получают ее в основном перегонкой природной воды и используют как источник препаратов с меченым кислородом. В природных водах в среднем на каждые 10 тысяч атомов изотопа ¹⁶O приходится 4 атома изотопа ¹⁷O и 20 атомов изотопа ¹⁸O.

Таблица 1. Изменение физических свойств воды при изотопном замещении

Физические свойства	H216O	D216O	H218O
Плотность при 20 °C, г/см3	0,997	1,105	1,111
Температура максимальной плотности, °C	3,98	11,24	4,30
Температура плавления при 1 атм, °C	0	3,81	0,28
Температура кипения при 1 атм, °C	100,00	101,42	100,14
Давление пара при 100 °C, Торр	760,00	721,60	758,10
Вязкость при 20 °C, сантипуаз	1,002	1,47	1,056

Таким образом, в природе возможно существование молекул воды, в которых содержатся любые из трех водородных изотопов (Н. D и Т) и 3 изотопа кислорода (¹⁷O и ¹⁸O) в любом сочетании. Если подсчитать все возможные изотопные разновидности воды, существующие в природе с общей формулой Н₂О, то общее количество возможных тяжёлых вод получится 18 (поскольку существует два стабильных изотопа водорода и три - кислорода). Из них 9 вариантов - Н₂ ¹⁶O, Н₂¹⁷O, Н₂¹⁸O, HD¹⁶O, HD¹⁷O, HD¹⁸O, D₂¹⁶O, D₂¹⁷O, D₂¹⁸O - нерадиоактивные (стабильные) и 9 радиоактивных вариантов с участием трития- T₂¹⁶O, T₂¹⁷O, T₂¹⁸O, DT¹⁶O, DT¹⁷O, DT¹⁸O, HT¹⁶O, HT¹⁷O, HT¹⁸O.

По международному стандарту SMOW, соответствующему глубинной воде Мирового океана, которая весьма стабильна по изотопному составу, абсолютное содержание D и ¹⁸O в океанической воде составляет: D SMOW/¹H SMOW=(155,76±0,05)×10⁻⁶ (155,76 ppm), ¹⁸O SMOW/¹⁶O SMOW =(2005,20±0,45)×10⁻⁶ (2005 ppm).

Для международного стандарта природной воды из Антарктики SLAP концентрации в воде составляют: для D D/H=89×10⁻⁶ (89 ppm), для ¹⁸O - ¹⁸O/¹⁶O=1894×10⁻⁶(1894 ppm). Содержание самого лёгкого изотополога H₂¹⁶O в воде, соответствующей по изотопному составу SMOW, составляет 997,0325 г/кг (99,73 мол.%), а по изотопному составу SLAP - 997,3179 г/кг (99,76 мол.%) (табл. 2).

Таблица 2. Рассчитанные массовые концентрации изотопологов в природной воде, соответствующие международному стандарту SMOW

Изотополог воды	Молекулярная масса	Содержание, г/кг SMOW
1H216O	18.0106	997.03253636
1HD16O	19.01684	0.32800009
D216O	20.0231	0.00002690
1H217O	19.0148	0.41150907
1HD17O	20.0211	0.00013499
D217O	21.0273	0.00000001
1H218O	20.0148	2.22706373
1HD18O	21.0211	0.00072876
D218O	22.0274	0.00000005

Изотопологи воды различаются друг от друга по физическим свойствам (табл. 3). Химическое строение молекул изотопологов воды аналогично строению молекул Н₂O, с очень малым различием в значениях длин ковалентных связей и углов между ними. Однако разница атомных масс изотопов в природной воде велика, поэтому они способны сильно фракционировать в природных процессах: D/H → 100%, ¹⁸O/¹⁶O →12,5%. Наиболее эффективно изотопы водорода и кислорода фракционируют в процессах испарения-конденсации и кристаллизации воды. Равновесное давление паров у изотопологов воды cущественно различается. При этом чем меньше масса молекулы воды, тем выше давление пара, поэтому пар, равновесный с водой, обогащён лёгкими изотопами водорода ¹Н и кислорода ¹⁶О, что позволяет осуществлять изотопное фракционирование воды.

Таблица 3. Изменение физических свойств воды при изотопном замещении

Физические свойства	H216O	D216O	H218O
Плотность при 20 °C, г/см3	0,997	1,105	1,111
Температура максимальной плотности, °C	3,98	11,24	4,30
Температура плавления при 1 атм, °C	0	3,81	0,28
Температура кипения при 1 атм, °C	100,00	101,42	100,14
Давление пара при 100 °C, Торр	760,00	721,60	758,10
Вязкость при 20 °C, сантипуаз	1,002	1,47	1,056

В природных водах содержание дейтерия распределено неравномерно: от 0,02-0,03 мол% для речной и морской воды, до 0,015 мол.% для воды из Антарктического льда, - наиболееобедненной по дейтерию природной воды с содержанием дейтерия в 1,5 раза меньшим, чем в морской воде. Талая снеговая и ледниковая воды в горах и некоторых других регионах Земли также содержат меньше тяжелой воды, чем обычная питьевая вода. В 1 тонне речной воды содержится 150-200 мг тяжелой воды. Согласно нашим расчетам, в организм человека на протяжении всей жизни поступает около 80 тонн воды, содержащей в своем составе 10-12 кг дейтерия и значительные количества коррелирующих с ним изотопа кислорода ¹⁸О. Такое значительное количество тяжелых изотопов водорода и кислорода в составе питьевой воды способно к наступлению половой зрелости человека повредить его гены и привести к развитию некоторых онкологических заболеваний, а также инициировать старение организма. Поэтому возникла идея получать обедненную по дейтерию легкую воду, которая в России реализуется несколькими научно-промышленными фирмами и научно-исследовательскими институтами, главный из которых Институт медико-биологических проблем РАН в Москве, готовящий космонавтов для полетов в Космос.

Лёгкая вода является побочным продуктом производства тяжёлой воды, используемой в атомной промышленности в качестве замедлителя нейтронов. В последние годы в связи с исследованиями, доказывающими чрезвычайную полезность лёгкой воды для организма человека, особенно для профилактики и лечения онкологических заболеваний, на Российском рынке появилась лёгкая вода, предназначенная для питья. Остаточное содержание в ней дейтерия, определяющее её качество и стоимость, изменяется от 20 до 30 ppm (миллионные доли).

В конце XX века легкой водой серьезно заинтересовались на Западе. В результате была запатентованы несколько технологий производства легкой воды и описаны ее лечебные и косметические эффекты. Теперь в США и Западной Европе налажено производство легкой воды; она продается по 8-10 долларов за 1 литр и выше и спрос на нее постоянно растет.

В Советском Союзе в 1960-1965 гг. Геннадий Бердышев, работавший в Томском мединституте и изучавший долгожительство в Якутии и на Алтае, связал долголетие якутов и алтайцев с употреблением талой воды ледников, которые в горах Якутии образовались намного раньше гренландских. Известно, что больше всего долгожителей в России живет в Дагестане и Якутии - 353 и 324 человека на миллион жителей, в то время как в среднем по России - только 8 человек. В экспериментах использовался реликтовый лед, который транспортировлся в вагонах-ледниках. По данным Г. Бердышева, реликтовая вода (т.е. вода, с низким содержанием дейтерия) оказывала омолаживающее действие на клетки тканей и благоприятно воздействовала на метаболизм. В книгеЭколого-генетические факторы старания и долголетия, изданной в Ленинграде в 1968 г., он предположил, что большое число долгожителей среди алтайских, якутских и бурятских народов связано с использованием целебной силы горных источников, сформированных за счет таяния ледников. Алтайские и бурятские источники умеренно теплые, с температурой 10-15 ⁰С. Вода из этих источников не замерзает зимой. Местные жители в них купаются и регулярно употребляют эту воду для питья. Г. Бердышев предположил, что реликтовая вода из ледников Якутии содержит меньший процент дейтерия, чем обычная природная вода.

В настоящее время талая вода ледников с пониженным по сравнению с природными водами содержанием дейтерия рассматривается как стимулятор жизни. Дейтерий тормозит, а протий способствует обмену веществ в биологических объектах. Удаление дейтерия из воды активирует воду и биологические процессы, происходящие с ее участием.

Как показали наши исследования, биологические объекты очень чувствительно реагируют на изменение изотопного состава воды. При воздействии на них вод раличного изотопного состава их реакция изменяется в зависимости от изотопного состава воды. В ряду тяжелых стабильных изотопов ¹⁷О, ¹⁸О и D cамые большие изотопные эффекты в разнице констант скоростей химических реакций с соотношением  kh/kd  = 7-10 наблюдаются в тяжёлой воде для C-H/C-D, N-H/N-D и O-H/O-D связей. Поэтому изотопные эффекты в биологических объектах, в основном, определяются дейтерием. В смесях тяжёлой воды с обычной водой с большой скоростью происходит изотопный обмен с образованием полутяжелой воды (НDO): Н₂O + D₂O = 2НDO. Поэтому дейтерий при малом содержании присутствует в воде почти полностью в форме НDO, а при высоком - в форме D₂O. Вышеназванные факторы, а также большая структурированность, плотность и вязкость D₂O по сравнению с обычной водой приводят к изменению скоростей (замедлению) и специфичности ферментативных реакций в тяжёлой воде. Однако, существуют и такие реакции, скорость которых в тяжёлой воде выше, чем в Н₂O. В основном это реакции, катализируемые ионами D⁺ или H⁺ или OD^- и ОН^-.

При попадании клетки в тяжёлую воду, из неё не только удаляется протонированная вода за счет реакции обмена Н₂О-D₂О, но и происходит быстрый изотопный (H-D) обмен в гидроксильных (-ОН), сульфгидрильных (-SH) и аминогруппах (-NH₂) всех органических соединений, включая белки, нуклеиновые кислоты, углеводы и липиды. Известно, что в этих условиях только ковалентная С-Н связь не подвергается изотопному обмену и вследствие этого только соединения со связями типа С-D могут синтезироваться  de novo . В зависимости от того, какое положение занимает атом дейтерия в молекуле различают первичные и вторичные изотопные эффекты дейтерия, опосредованные межмолекулярными взаимодействиями. В этом аспекте наиболее важными для структуры макромолекулы являются динамические короткоживущие водородные (дейтериевые) связи. Они формируются между соседними атомами дейтерия (водорода) и гетероатомами кислорода, углерода, азота, серы и тяжелой водой из окружающей среды и играют главную роль в поддержании пространственной структуры макромолекул и в межмолекулярных взаимодействиях.

Другое важное свойство определяется пространственной структурой тяжёлой воды, имеющей тенденцию сближать гидрофобные группы макромолекул, чтобы минимизировать их эффект на водородную (дейтериевую) связь в присутствии молекул тяжёлой воды. Поэтому структура макромолекул белков и нуклеиновых кислот в присутствии D₂О стабилизируется.

Полученные нами экспериментальные данные свидетельствуют о том, что тяжёлая вода ингибирует жизненно-важные функции роста и развития живых организмов, приводит к морфологическим, цитологическим и генетическим изменениям клетки. Некоторые микроорганизмы выносят 90%-ную концентрацию тяжёлой воды в среде, в то время как растительные клетки могут нормально развиваться при концентрациях тяжёлой воды не более 60%, а клетки животных не более 30% тяжёлой воды (рис. 1). Попадая в организм,  тяжелая вода может стать причиной нарушений обмена веществ, работы почек, гормональной регуляции и снижения иммунитета .  При больших концентрациях тяжелой воды (дейтерия) в организме подавляются ферментативные реакции, клеточный рост, углеводный обмен и синтез нуклеиновых кислот. Особенно страдают те системы, наиболе чувствительные к замене Н⁺ на D⁺, которые используют высокие скорости образования и разрыва водородных связей. Такими системами являются аппарат биосинтеза макромолекул и дыхательная цепь. Последний факт позволяет рассматривать биологическое воздействие тяжёлой воде, как комплексное воздействие, действующему одновременно на функциональное состояние большого числа систем: метаболизм, биосинтетические процессы, транспорт веществ, структуру и функции макромолекул. В результате это приводит к гибели клеток в D₂O.

 
Рис. 1. Выживаемось различных организмов в воде с различными содержаниями дейтерия (по данным авторов).

Тем не менее тяжелая вода играет значительную роль в различных биологических процессах. Важным обстоятельством, является то, что углеродные связи с участием дейтерия более прочны и стабильны, чем углеродные связи с участием водорода. Изотопные эффекты, энергия связи, константа диссоциации, подвижность, длина связи для пары водород/тритий также различны. А это означает, что в первичной воде на Земле самоорганизующиеся дейтерированные структуры смогли сохраниться дольше во времени. Есть основания полагать, что в ту эпоху существовал процесс структурирования в водной тяжёловодородной среде органических молекул, поскольку структурирующее свойства и стабилизирующее воздействие тяжёлой воды на химические связи более выражены, чем у обычной воды.

Систематическое изучение воздействия тяжелой воды на клетки животных, растений и бактерий в России начато сравнительно недавно. Различные исследователи установили, что тяжелая вода действует отрицательно на жизненные функции организмов; это происходит даже при использовании обычной природной воды с повышенным содержанием тяжелой воды. Эксперименты проводились клетках животных, растений и простейших. Подопытных мышей поили водой, 1/3 часть которой была заменена водой состава HDO. Через несколько дней у животных начиналось расстройство обмена веществ, впоследствии разрушались почки. При увеличении концентрации дейтерия в потребляемой воды животные погибали. И наоборот, уменьшение концентрации дейтерия в питьевой воде стимулировало биологические процессы и обмен веществ. Это свидетельствует о том, что дейтерий тормозит, а протий способствует обмену веществ в биологических объектах.

Тяжелая вода также способна вызывать физиологические, морфологические, цитологические и генетические изменения в клетке. Возможное повреждение генофонда организма тяжелыми изотопами водорода в составе воды может иметь тяжелые последствия для человечества, если оно не перейдет на употребление лёгкой воды, обедненной дейтерием и другими тяжелыми изотопами - тяжелым изотопом кислорода (¹⁸О) и радиоактивным тритием (Т).

Поскольку суммарное содержание тяжелых изотопов дейтерия D, кислорода ¹⁸О и трития Т в 1 кг воды составляет величину, порядка 2 грамма, в начале XXI-го века появилось мнение о полном извлечении тяжёлых изотопов - D, ¹⁸О и Т из потребляемой питьевой воды. Эта задача достигается различными физико-химическими методами - изотопным обменом в присутствии палладия или платины, многоступенчатым электролизов воды в сочетании с каталитическим изотопным обменом между водой и водородом; низкотемпературной ректификации жидкого водорода с последующим сжиганием Н₂ с кислородом; вакуумной заморозкой воды с последующим оттаиванием, вакуумной ректификацией и др. Для получения особо чистой H₂¹⁶O проводят очень тонкую, многостадийную очистку природной воды совокупностью вышеуказанных методов, или синтезируют воду из исходных газообразных элементов ¹H₂ и ¹⁶O, которые предварительно очищают от изотопных примесей. Такую воду применяют в экспериментах и процессах, требующих исключительной чистоты химических реактивов.

По данным Г. Д. Бердышева, даже неглубокая (на 5-10%) очистка воды от тяжелых изотопов (D и¹⁸О) способна значительно улучшить ее качества и придать воде полезные очистительные свойства. В Институте медико-биологических проблем РАН был проведен 240-суточный эксперимент по изучению изменений изотопного состава биогенных химических элементов в организме человека, в ходе которого установлено, что  в условиях сильного стресса и неблагоприятных внешних воздействий организм, в первую очередь, выводит тяжелые изотопы D и ¹⁸О за счет реакций изотопного (H/D, ¹⁶О/¹⁸О-обмена). Поэтому для   повышения жизненных сил организма в условиях неблагоприятных вешних воздействий, целесообразно потреблять свободную от тяжелых изотопов бездейтериевую (легкую) воду. В Японии, США и некоторых других странахлегкую воду используют для профилактики опухолевых заболеваний. При этом снижение риска онкологических заболеваний при регулярном употреблении легкой воды связывают с очисткой организма от тяжелых изотопов, в первую очередь от дейтерия.

Сейчас работы по улучшению качества воды ведутся во всех странах мира. Однако существующие очистительные сооружения и технологии водоподготовки часто не справляются со своими задачами. Поэтому и возникли различные установки для очистки питьевой воды. В общих чертах все эти устройства, какими бы совершенными ни была очистка, ничего не могут поделать спамятью воды, проявляющемся в способности воды сохранять следы воздействия на ее молекулярную структуру примесных соединений и внешних информационных воздействий.

Вода загрязнена многими примесями земного, космического и биоэнергоинформационного происхождения:

К земным загрязнениям воды следует отнести многочисленные вредные и ядовитые органические и неорганические примеси техногенного происхождения, а также микроорганизмы.

Космические загрязнения - это главным образом тяжелые и радиоактивные изотопы водорода (дейтерий и тритий) и кислорода - ¹⁸О.

Под биоэнергоинформационными (БЭИ) загрязнениями подразумевается энергетическое и информационное загрязнение пространства и гидросферы Земли. Различают природные и техногенные БЭИ загрязнения. Первые возникают вследствие солнечной активности, магнитных бурь, землетрясений, электромагнитных аномалий и т. п.; вторые - в результате технического прогресса человечества. К ним следует отнести не только отравление воды, земли и воздуха промышленными стоками и выхлопными газами, повышенную радиацию, но и т. н. электромагнитное излучение - значительное увеличение плотности электромагнитных излучений различных частот и интенсивностей, в том числе и глобальную компьютеризацию.

Сочетание природных и техногенных БЭИ загрязнений негативно воздействует на структуру воды, вследствие чего она приобретает негативные свойства, приводящие к снижению ее полезных свойств и биологической активности. Существующие ныне технологии получения питьевой воды осуществляют очистку воды только от 1-го типа загрязнений, не изменяя ее изотопный состав и структуру. Такая вода практически полностью сохраняет свою негативную структуру, и по этой причине не может быть полезной для здоровья, роста и развития живых организмов.

Для оздоровления воды, придания ей целебных биологических свойств воду необходимо очищать от всех загрязнений - земных, космических и биоэнергоинформационных, а также от тяжелых изотопов.

В конкретном случае с тяжелыми изотопами поставленная задача решается несколькими способами извлечения тяжелых изотопов из воды: изотопный обмен в присутствии палладия и платины, электролиз воды в сочетании с каталитическим изотопным обменом между водой и водородом, колоночная ректификация, вакуумное замораживание холодного пара с последующим оттаиванием и др. В способе получения обедненной дейтерием питьевой воды за счет замораживания-оттаивания льда, получение льда осуществляют замораживанием пара, образующегося из исходной воды при температуре, не превышающей +10 ⁰С, а в процессе оттаивания льда на него дополнительно воздействуют ультрафиолетовым и инфракрасным излучениями и насыщают талую воду газом или смесью газов.

Первая промышленная установка для производства легкой воды с пониженным на 30-35% содержанием дейтерия и трития была создана учёными Г. Д. Бердышевым и И.Н. Варнавским совместно с институтом экспериментальной патологии, онкологии и радиобиологии им. Р. Кавецкого РАН Украины. В этой установке предусмотрено получение из исходной воды льда путем замораживания холодного пара, извлеченного из исходной воды, с последующим плавлением этого льда под воздействием инфракрасного и ультрафиолетового излучения, микронасыщения талой воды газами и минералами.

Было установлено, что при температуре в пределах +1,9 0 °С молекулы воды с дейтерием и тритием в отличие от протиевой воды находятся в метастабильно-твердом неактивном состоянии. Это свойство лежит в основе фракционного разделения легкой и тяжелой воды путем создания разряжения воздуха над поверхностью воды при этой температуре. Протиевая вода интенсивно испаряется, а затем улавливается при помощи морозильного устройства, превращаясь в снег и лед. Тяжелая же вода, находясь в неактивном твердом состоянии и имея значительно меньшее парциальное давление,  остаётся в испарительной емкости исходной воды вместе с растворенными в воде солями  и примесями.

На рисунке 2 показано изображение установки ВИН-4 "Надія" для получения биологически активной талой питьевой воды с пониженным содержанием дейтерия и трития. Установка по состоит из корпуса 1, в котором установлена испарительная емкость 2 для исходной воды с устройствами нагрева 3 и охлаждения воды 4. Здесь же имеется вентиль 5 для подачи воды в испаритель и вентиль б для слива отработанного остатка, обогащенного тяжелыми изотопами водорода. В корпусе также расположено устройство 7 для конденсации и замораживания холодного пара в виде набора тонкостенных трубчатых элементов, которые соединены с насосом для прокачивания через них хладагента. Устройство 7 совместно с источниками ультрафиолетового 8 и инфракрасного 9 излучений размещено над емкостью 10 для сбора талой воды. Внутренняя полость корпуса 1 соединена патрубком 11 с вакуумным насосом - источником разряжения воздуха. Кроме того, корпус 1 снабжен устройством 12 для подачи в его внутреннюю полость установки очищенного воздуха или смеси газов. Дополнительно установка ВИН-4 оборудована системой терморегулирования  в полости испарительной емкости 2 для контроля заданной температуры процесса испарения исходной обрабатываемой воды. В корпусе имеются иллюминаторы для наблюдения за процессами испарения, замораживания холодного пара и таяния льда -13 и 14. Емкость сбора талой воды 10 снабжена вентилями 15 для слива талой воды и патрубком 16 для соединения с блоком формирования структуры и свойств талой воды 17. Блок 17 включает внутреннюю коническую емкость 18 с минералами. На выходе емкости 19 установлен адсорбционный фильтр 20 и сливной вентиль 21.

 

Рис. 2. Схематическое изображение установки ВИН-4 Надія. Обозначения: 1 - корпус, 2 - испарительная емкость, 3 - устройство для нагрева воды, 4 - устройство для охлаждения воды, 5 - вентиль для подачи воды в испаритель, 6 - вентиль для слива отработанного остатка, 7 - устройство 7 для конденсации и замораживания холодного пара, 8, 9 - источники ультрафиолетового и инфракрасного излучений, 10 - емкость для сбора талой воды, 11 - вакуумный насос, 12 - устройство для подачи очищенного воздуха или смеси газов, 13, 14 - иллюминаторы для наблюдения за процессами испарения и замораживания пара и таяния льда, 15 - вентиль для слива талой воды, 16 - патрубок, 17 - блок формирования структуры и свойств талой воды, 18 - внутренняя  коническая емкость с минералами, 19 - внешняя коническая емкость с минералами, 20 - адсорбционный фильтр, 21 - сливной вентиль.

Установка работает следующим образом: Из водопровода испарительную емкость 2 наполняют водой и через устройство 4 прокачивают хладагент. При достижении заданной температуры, не превышающей +10°С, процесс охлаждения воды прекращают. Затем герметизируют корпус 1 и через патрубок 11 начинают откачивать воздух, создавая разряжение во внутреннем объеме корпуса установки. Создание разряжения сопровождается сначала интенсивным выделением из всего объема исходной воды растворенных в ней газов и их удаление, а затем интенсивным парообразованием вплоть до кипения воды, за которым наблюдают через иллюминаторы 13 и 14. Образующийся холодный пар конденсируется и намерзает на поверхности трубчатых элементов морозильника 7. Когда толщина льда достигает заранее заданной величины, процесс испарения прекращают. Вакуумный насос выключают, включают источники ультрафиолетового 8 и инфракрасного 9 излучений, а через устройство 12 вводят в полость корпуса 1 очищенный воздух или смесь газов; затем доводят давление в корпусе 1 до уровня или выше атмосферного. Остаток воды емкости 2, обогащенный тяжелыми изотопами, через вентиль 6 сливают в отдельные емкости или сливают в накопитель. По мере облучения и таяния льда талая вода поступает в емкость 10, затем в блок 17 формирования структуры и свойств талой воды. Проходя через минералы внутренней 18 и наружной 19 конических емкостей и далее через фильтр 20, талая вода завершает свой путь, приобретая целебные биологичеки-активные свойства.

Аналогичную установку по получению биологически активной питьевой воды с пониженным содержанием дейтерия путем электролиза сконструировали в 2000 году российские учёные Ю. Е. Синяк, В. Б. Гайдадымов и А. И. Григорьев из Института медико-биологических проблем в Москве. Установка содержит емкость 1 с конденсатом атмосферной влаги или дистиллятом, которая соединена с анодной камерой 2 электролизера с ионообменным электролитом. Электролизер содержит пористые электроды (анод 2 и катод 3) из титана, покрытые платиной, преобразователь электролизных газов в воду, конденсатор 10 и сборник легкой воды. Кроме того, устройство дополнительно снабжено осушителем кислорода 4, реактором изотопного D₂/H₂O обмена 5, внешние боковые стенки которых образованы из ионообменных мембран, и кондиционером для воды 11 (рис. 3). Внешние стенки реактора и осушителя образованы из ионообменных мембран 6, осушитель кислорода содержит ионообменный катионит, а кондиционер для воды образован из фильтра со смешанными слоями ионообменных материалов - адсорбента и минерализатора, содержащего гранулированные кальций-магний карбонатные материалы.

Конденсат атмосферной влаги или дистиллят поступает в анодную камеру электролизера с твердым электролитом, где осуществляется процесс электролиза при температуре 60-80^oС. Образующиеся в результате электролиза обедненные дейтерием кислород и водород с парами воды подают в осушитель кислорода 4 за счет сорбции ионообменным наполнителем (катионитом) и испарения паров воды через ионообменные мембраны 6 и в каталитический реактор изотопного обмена 5, заполненный активированным углем, содержащим 4-10% фторопласта и 2-4% палладия или платины, где проходит реакция изотопного D₂/H₂O обмена. После изотопного обмена водород осушают от паров воды, которые сорбируются и удаляются через ионообменники реактора 8, размещенные на его внешних боковых стенках. Осушенные газы поступают в преобразователь электролизных газов и в каталитическую горелку 9. Пламя факела направляют в конденсатор 10, охлаждаемый в протоке водопроводной водой, где пары воды конденсируются и поступают в кондиционер 11 для доочистки на сорбционном фильтре. Затем вода поступает в сборник воды, обедненной дейтерием 12. Охлаждение устройства и работа ионообменных мембран по осушке электролизных газов от паров воды осуществляется вентилятором 7. Окончательную доочистку воды и последующую ее минерализацию проводят кальций-магнийсодержащими карбонатными минералами и доломитом. Производительность установки по легкой воде составляет 50 мл воды в час.

 
Рис. 3. Схематическое изображение электролизной установки получения легкой воды. Обозначения: 1 - емкость конденсата атмосферной влаги, 2 - анод, 3 - катод, 4 - осушители кислорода, 5 - реактор изотопного D₂/H₂O обмена, 7 - вентиллятор, 6, 8 - ионнообменная мембрана, 9 - каталитическая горелка, 10 - конденсатор, 11 - кондиционер воды с доломитом, 12 - сборник легкой воды.

При электролизном процессе у воды с пониженным на 60% и выше содержанием дейтерия сохраняются негативные свойства дистиллированной воды (отсутствие минерализации, повышенное содержание растворенных газов, неупорядоченная молекулярная структура воды). Она является исходным материалом для получения питьевой воды космонавтов. Преимуществом электролизного процесса является максимально возможное удаление дейтерия (до 90%).

При вакуумном замораживании-оттаивании получают микроминерализованную питьевую воду со сниженным содержанием дейтерия на 10-35% и с упорядоченной льдоподобной структурой, характерной талой воде.

Разработанные в последние годы комбинированные методы изотопного обмена и ректификации позволяют получать легкую воду высокой изотопной чистоты. Первая в мире ректификационная установка по изотопной очистке воды была спроектирована в 1975 г. швейцарской фиромой SULZER и пущена в эксплуатацию на реакторе HFR ILL. В 1987 г. аналогичная, но гораздо мощная установка была создана в Канаде для канадских АЭС. В конце 90-х годов в Петербургском институте ядерной физики им. Б.П. Константинова была создана первая отечественная ректификационная колонна по изотопному разделению воды. Высота колонны - 10 м, диаметр - 80 мм. В основу этой установки заложен комбинированный метод изотопного обмена в системепары воды - водород и низкотепмературной ректификации изотопов водорода. В ходе реакции каталитического изотопного обмена (КИО) между парами воды и дейтерием при температуре 200⁰С происходит извлечение протия и трития из тяжёлой воды и их последующий перевод в газообразную фазу:

DTO + D₂ = DT + D₂O

HDO + D₂ = HD + D₂O

Степень извлечения трития из тяжелой воды определяется константой равновесия и при трехступенчатой очистке составляет не боле 30%. Очищенная от протия и трития тяжелая вода возвращается в реактор. Смесь изотопов водорода - D₂, DT, HD После очистки от примесей и охлаждения до температуры 25 К подается в низкотемпературную колонну. За счет процессов массообмена между газообразной и жидкой фазой изотопов водорода, происходит концентрирование трития в нижней, а протия - в верхней части колонны. Обедненный по протию и тритию поток дейтерия в виде D₂O возвращается в блок КИО. Из верхней части низкотемпературной колонны происходит отбор концентрата протия - в виде легкой воды, а из нижней - концентрат трития в виде тритиевой воды.

Ректификация воды относится к массообменным процессам и осуществляется в противоточных колонных аппаратах с контактными элементами - насадками или тарелками. В этом процессе происходит непрерывный обмен между движущимся относительно друг друга молекулами жидкой и паровой водяной фазы. При этом жидкая фаза обогащается более высококипящим компонентом, а паровая фаза - более низкокипящим - дейтерием и другими тяжёлыми изотопами - тритием (Т) и кислородом (¹⁸О). В большинстве случаев ректификацию осуществляют в противоточных колонных аппаратах с различными контактными элементами (рис. 4). Процесс массообмена происходит по всей высоте колонны между стекающей вниз флегмой и поднимающимся вверх паром. Чтобы интенсифицировать процесс массообмена применяют контактные элементы - насадки и тарелки, что позволяет увеличить поверхность массообмена. В случае применения насадки жидкость стекает тонкой пленкой по ее поверхности, в случае применения тарелок пар проходит через слой жидкости на поверхности тарелок.

 
Рис. 4. Схема типовой ректификационной колонны. 1-корпус, 2 - колонна, 3 - конденсатор, 4 - делитель, 5 - холодильник дистиллята, 6 - холодильник остатка, 7 - сборник, 8 - система надува, 9 - система трубопровода.

Расчет ректификационной колонны производится по диаграмме кипения воды для заданных параметров ректификации - состава исходной воды, кубового остатка, дистиллята, производительности и рабочем давлении в колонне. Затем подбирается тип тарелок, определяется скорость пара, диаметр колонны, коэффициенты массопередачи, высота колонны, гидравлическое сопротивление тарелок. После этого проводится расчет эксплуатационных свойств, а также экономические показатели использования ректификационной колонны. На практике для более глубокой очистки воды от тяжелых изотопов используется не одна ректификационная колонная, а целая серия - батарея из 20 и более отдельных колонн.

Данный метод изотопного разделения воды имеет ряд существенных преимуществ по-сравнению с существующими способами и позволяет производить очистку природной воды от дейтерия до величин порядка 20-30 ppm. Кроме того, производительность изотопной очистки воды этим методом выше других способов, что существенно снижает ее стоимость. Предполагается, что при широкомасштабном производстве лёгкой воды, в будущем она станет доступной каждому человеку.

Биологическая активность легкой питьевой воды, полученной при одноступенчатой обработке подтверждена исследованиями и клиническими испытаниями. Эксперименты на животных и растениях показали, что при потребление воды с пониженным на 25-30% содержанием дейтерия свиньи, крысы и мыши дают более крупное и многочисленное потомство, содержание домашней птицы с 6-суточного возраста и до половозрелости на бездейтериевой воде приводит к ускоренному развитию половых органов (по размерам и весу) и усилению процесса сперматогенеза, яйценоскость кур повышается почти вдвое, пшеница созревает раньше и дает более высокий урожай. Кроме того, лёгкая вода с пониженным содержанием дейтерия задерживает появление первых узелков метастаз на месте перевивки рака шейки матки, оказывает иммуномоделирующее и радиопротекторное действие. Радиопротекторные свойства легкой воды впервые обнаружены Варнавским И.Н. в экспериментах на Drosophila melanogaster. Потом радиопротекторное действие легкой воды было зарегистрировано при облучении мышей с использованием кобальтовой пушки. Выживаемость животных опытной группы, принимавших легкую воду (30ррm) в течение 15 дней перед облучением, оказалась в 2,5 раза выше, чем в контрольной группе (доза облучения 850 R). При этом было обнаружено, что у выживших мышей опытной группы количество лейкоцитов и эритроцитов осталось в пределах нормы, в то время как в контрольной группе оно значительно сократилось. Использование легкой воды больными раком во время или после сеансов лучевой терапии позволяет улучшить состав крови, остановить выпадение волос и снять приступы тошноты после сеансов.

Потребление легкой воды онкологическими больными во время или после сеансов лучевой терапии позволяет восстановить состав крови и снять приступы тошноты после сеансов. По данным Г. Шомлаи, результаты клинических испытаний, проведённых в 1994-2001 г.г. в Венгрии, показали, что уровень выживаемости больных, употреблявших лёгкую воду в сочетании с традиционными методами лечения или после них значительно выше, чем у больных, использовавших только химио- или лучевую терапию.

Исследования легкой воды в Московском научно-исследовательском онкологическом институте им. П. А. Герцена и в НИИ Канцерогенеза Российского Онкологического Научного центра им. Н.Н. Блохина РАМН совместно с Институтом медико-биологических проблем подтвердили ингибирующие эффекты легкой воды на процесс роста различных опухолей и установили, что в среде с более низким, чем природное, содержанием дейтерия деление опухолевых клеток аденокарциномы молочных желез MCF-7 начинается с задержкой на 5-10 часов. У 60% мышей с подавленным иммунитетом и пересаженными грудными человеческими опухолями MDA и MCF-7 прием легкой воды (30 ppm) вызывал регрессию опухолей. У группы мышей с пересаженной человеческой опухолью простаты РС-3 прием легкой воды (90 ppm) увеличивал уровень выживаемости на 40%, при этом соотношение числа делящихся клеток к погибшим в опухолях животных опытной группы составляло 1,5:3, а контрольной группе - 3,6:1. Особого внимания заслуживают два показателя: задержка метастазирования и потеря веса животных за время экспериментов. Ярко выраженное стимулирующее действие легкой воды на иммунную систему животных привело к задержке развития метастазов на 40% по сравнению с контрольной группой, а потеря массы у животных, которые пили легкую воду, к концу опыта была в два раза меньше.

При воздействии на подопытных животных γ-облучением в дозе LD50 обнаружено, что выживаемость животных, употреблявших в течение 15 дней перед облучением легкую воду (30 ррм), в 2,5 раза выше, чем в контрольной группе (доза облучения 850 R), что указывает на радиопротекторные свойства легкой воды. При этом у выживших мышей опытной группы количество лейкоцитов и эритроцитов в крови осталось в пределах нормы, в то время как в контрольной группе оно значительно сократилось. Было отмечено также четкое положительное влияние воды на показатели насыщения тканей печени кислородом: при этом увеличение рО2 составляло 15%, т. е. дыхание клеток увеличивалось в 1,3 раза. О полезном действии реликтовой воды на здоровье мышей свидетельствовала их повышенная резистентность и увеличение веса по сравнению с контролем. Это означает, что употребление легкой воды для жителей больших городов, в условиях повышенного фона радиации, является обоснованным .  Лёгкая вода увеличивает скорость метаболических реакций, например, при старении, метаболическом синдроме, диабете и т. п.

Исследования биологической активности реликтовой воды с различным содержанием дейтерия, полученной на установке ВИН-7 Надія, на активность сперматозоидов, были проведены в 1998 году в Институте экогигиены и токсикологии им. Л. Медведя Минздрава Украины. В пробах реликтовой воды из установки ВНН-7 Надія сперматозоиды дольше сохраняют свою функциональную активность, и она повышается по мере снижения содержания дейтерия в воде. Если принять во внимание общеизвестный факт о том, что воспроизводство жизни связано с потенциалом жизнедеятельности половых клеток, то станет ясно значение реликтовой воды для будущих поколений.

Медико-биологические свойства реликтовой воды в 1995 г. исследовались на кафедре общей и молекулярной генетики Киевского национального университета им. Т. Шевченко. Дрозофила является общепризнанным в мировой науке живым модельным объектом для различных биологических и медицинских экспериментов. Предполагалось исследовать действие трех видов воды на весь цикл зарождения и развития Drosophila melanogaster линии Oregon - на яйцекладку, выход личинок из яйца, куколок из личинки и взрослых особей (имаго) из куколок. В ходе этих экспериментов были обнаружены геропротекторные (омолаживающие), радиозащитные и антимутагенные эффекты воздействия реликтовой воды с пониженным содержанием дейтерия на 5 % на дрозофилу в процессе ее развития.

Академик Украины В. И. Бадьин провел измерения динамики снижения содержания дейтерия в организме 4-х месячных телят, которых поили водой с пониженным содержанием дейтерия. Для эксперимента были отобраны три здоровых теленка 4-х месячного возраста. Каждый из них помещался в отдельное стойло. Перед началом эксперимента у животных были взяты пробы мочи, крови и волосяные покровы. Животных измеряли для определения веса. В течение эксперимента телят кормили сеном (1,5-2 кг/сут.) и комбикормом (2 кг/сут.) и поили их очищенной водой с добавкой тяжёлой воды с известным изотопным сдвигом протий/дейтерий. Затем на второй, пятый и седьмой день эксперимента у животных отбирали мочу и кровь, в которых определяли содержание дейтерия, а также макро- и микроэлементов. Каждый день у телят измеряли пульс, частоту дыхания и температуру тела. Было установлено, что концентрация дейтерия в моче животных до начала эксперимента оказалась примерно равной концентрации дейтерия в природных водах.

Были сделаны следующие выводы:

• Потребление животными воды, обедненной дейтерием, приводит к изменению изотопного состава воды мочи.
• Потребление животными очищенной воды, приводило к снижению концентрации кальция в моче.
• Зарегистрировано уменьшение содержания кальция, магния и кадмия в волосяном покрове.
• Произошло увеличение концентрации креатенина в моче и сыворотке крови при сохранении соотношения концентраций кровь/моча.
• Телята, пившие воду, обедненную дейтерием, отличались от обычных телят резвостью и высокой подвижностью.

Основное действие, оказываемое легкой питьевой водой на организм - постепенное снижение содержания дейтерия в жидкостях тела за счёт реакций изотопного Н-D обмена. Такая очистка  организма нормализует работу клеточных мембран, улучшает обмен веществ и общее самочувствие, увеличивает энергетические ресурсы организма, повышает работоспособность, способствует быстрому восстановлению организма после больших физических нагрузок.

Анализ полученных результатов может свидетельствовать о том, что очистка воды организма от тяжелой воды с помощью легкой питьевой воды позволяет улучшить работу некоторых жизненно-важных систем организма. При регулярном потреблении легкой воды происходит более полная очистка всего организма от тяжелой воды, а также зафиксировано изменение изотопного состава мочи и содержание в ней кальция. Этот процесс сопровождается увеличением функциональной активности клеток, органов и некоторых систем организма. При этом происходит нормализация обменных процессов, увеличиваются защитные силы и устойчивость организма к внешним неблагоприятным воздействиям. Регулярное употребление легкой питьевой воды позволяет естественным образом снизить содержание тяжелой воды в организме человека до величины 111 ррм. Это оказывает благоприятное воздействие на обмен веществ, улучшает самочувствие, повышает работоспособность, а также способствует быстрому восстановлению организма после больших физических нагрузок.

Положительные свойства легкой питьевой воды подтверждены исследованиями и клиническими испытаниями. Показано, что легкая вода нормализует обмен веществ и артериальное давление, снижает содержание сахара в крови у больных сахарным диабетом II типа, очищает организм от токсинов и шлаков, способствует быстрому заживлению и восстановлению костных и мышечных тканей после травм, обладает противовоспалительным действием, усиливает действие лекарственных препаратов, способствует коррекции веса, защищает клетки от радиации, устраняет признаки посталкогольной абстиненции. Лёгкая вода также рекомендуется для быстрой и глубокой очистки организма, что необходимо при нарушениях обменных процессов, перед операцией и в послеоперационный период, а также при лечении опухолевых заболеваний.

Клинические испытания легкой воды с остаточным содержанием дейтерия 60-100 ррм, проведенные РНЦ восстановительной медицины и курортологии МЗ РФ, показали, что она может быть рекомендована как вспомогательное средство в комплексном лечении больных метаболическим синдромом (артериальная гипертония, ожирение, нарушение углеводного обмена, дислипидемия) и сахарным диабетом. Кроме того, было обнаружено, что легкая вода улучшает качество жизни при почечно-каменной болезни и различных нарушениях в работе желудочно-кишечного тракта (колиты и гастриты). Учитывая динамику распределение воды в организме, реакции изотопного (H/D и ¹⁶О/¹⁸O) обмена и результаты, полученные на легкой воде, можно ожидать, что наибольший эффект изотопная очистка воды будет оказывать на регуляторные системы организма и обмен веществ.

В ГНЦ РФ Институт медико-биологических проблем РАН был проведен 240-суточный эксперимент по изучению изменений изотопного состава биогенных химических элементов в организме человека.  Оказалось, что  в условиях сильного стресса и вредных внешних воздействий организм, в первую очередь, избавляется от тяжелых изотопов , в том числе дейтерия и кислорода ¹⁸О. Это означает, что для повышения  жизненных сил и мобилизации их на борьбу с неблагоприятными вешними воздействиями, нам необходимо очищать организм от тяжелых изотопов так же, как мы очищаем его от шлаков. Очевидно, что именно с такой очисткой связано и положительное влияние легкой воды на человека. В Японии, США и некоторых других странах легкую воду используют для профилактики опухолевых заболеваний. При этом снижение риска заболеваний раком при регулярном употреблении легкой воды напрямую связывают с очисткой организма от дейтерия.

Таким образом лёгкая вода оказывает полифизиологическое действие на организм человека - противоопухолевое, радиопротекторное и оздоравливающее. Основное действие, оказываемоелегкой водой на организм - постепенное снижение содержания дейтерия в жидкостях тела за счет реакций изотопного обмена. Анализ полученных результатов позволяет говорить о том, что очистка воды организма от тяжелой воды с помощью легкой воды позволяет улучшить работу важнейших жизненных систем организма. Учитывая роль воды в организме и известные изотопные эффекты тяжелой воды, и результаты, полученные по легкой воде, можно ожидать, что наибольший эффект такая очистка может оказать на свойства биологических мембран, регуляторные системы и энергетический аппарат живой клетки. Легкая вода обладает меньшей вязкостью, чем природная вода, что позволяет ей легче проникать через клеточные мембраны и тем самым интенсифицировать скорость водообмена в организме. Растворимость неорганических солей в легкой воде выше, чем в природной, что дает ей возможность более эффективно выводить продукты метаболизма и вредные солевые примеси из организма. Скорость ферментативных (каталитических) реакций в легкой воде несколько выше, чем в обычной воде. Это позволяет интенсифицировать обменные процессы, что помогает организму быстрее восстанавливаться после больших нагрузок. Таким образом, легкая вода позволяет естественным образом, без применения каких-либо фармацевтических средств, существенно повысить обменные процессы организма.

ЛИТЕРАТУРА

1. А. И. Шатенштейн,  Изотопный анализ воды , 2 изд., Москва, Атомиздат (1957), с. 32-25.

2. S. Kaufman, Sheldon; W. Libby, "The Natural Distribution of Tritium",  Physical Review , 93 (6), 1337-1339 (1954).

3. O. В. Мосин, И. Игнатов,  Осознание роли воды в процессе происхождения жизни , Сознание и физическая реальность, 1, 1-18 (2012).

4. I. Kudish, D. Wolf, F. Steckel, Physical properties of heavy-oxygen water. Absolute viscosity of H₂¹⁸O between 15 and 35°C,  Journal of Chemical Society, Faraday Transactions , 68 (1), 2041-2046 (1972).

5. И. Кишенбаум,  Тяжелая вода. Физические свойства и методы анализа , пер. с англ., Mосква, Атомиздат (1953), с. 56-58.

6. Я. Д. Зельвенский, С. Г. Катальников,  Тяжелые изотопы водорода в ядерной технике , Мocква, Наука (1987), с. 78-80.

7. G. Lis, L. I. Wassenaar, M. J. Hendry, High-Precision Laser Spectroscopy D/H and ¹⁸O/¹⁶O Measurements of Microliter Natural Water Samples,  Analytical Chemistry , 80 (1), 287-293 (2008).

8. W. N. Cleland, M. N. O'Leary, D. D. Northrop (eds.), Isotope Effects on Enzyme-Catalyzed Reactions , University Park Press, Baltimore, London, Tokyo (1976), p. 303.

9. В. Н. Лобышев, Л. П. Калиниченко,  Изотопные эффекты D₂O в биологических системах , Москва, Наука (1978), с. 215.

10. О. В. Мосин, Исследование методов биотехнологического получения аминокислот, белков и нуклеозидов, меченных стабильными изотопами ²Н и ¹³С с высокими уровнями изотопного обогащения,  Автореф. диссерт. канд. хим. наук , Москва, МГАТХТ им. М.