Наш мозг – система жидких кристаллов

Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком

Мы живем в мире кристаллов. Кристаллы не только вовне, но и внутри нас: они составляют и вещество мозга, и оболочки нервных клеток, и кровяные шарики — эритроциты. Правда, кристаллы эти не обычные, а так называемые «жидкие». Привычно думать, что главный признак кристалла — это строгий порядок расположения, периодичность повторения одних и тех же частиц. Отсюда — его особенность: разные свойства по разным направлениям.

И потому само название «жидкий кристалл» заключает в себе парадокс, более того, граничит с абсурдом — ведь в жидкостях и газах нет строгого порядка частиц, наоборот главный их признак — полная одинаковость свойств в любых направлениях. Жидкие кристаллы — своеобразное промежуточное состояние вещества: они текучи, как вода, образуют капли, но их структура упорядочена. Капли жидких кристаллов — всегда строго определенной формы.

Обычно жидкие кристаллы возникают, когда охлаждаются расплавы или повышается концентрация растворов некоторых веществ с длинными молекулами. При этом само вещество приобретает новые, необычные свойства — другую окраску, температуру плавления и т. д. Жидкие кристаллы не так уж редки. Оказалось, что даже чернила для авторучек имеют при высыхании жидкокристаллическую структуру.

Эти сказочно красивые образования имеют три вида: смектические, или мылообразные, нематические, или нитевидные, и холестерические, то есть сходные по строению со всем известным холестерином.

Смектические кристаллы — это ракетообразные молекулы, выстроенные рядами, образующими как бы этажи. Так расположены молекулы в мыльном пузыре, где между строгими рядами внутренней и внешней поверхности беспорядочно плавают в жидкости молекулы мыла. Так же устроены и оболочки нервных волокон живого организма, элементы цитоплазмы, структуры хлоропластов — веществ, связанных с реакцией фотосинтеза у растений.

Нематические кристаллы менее упорядочены. Их длинные оси ориентированы в определенном направлении, как булавки в коробочке. Такую структуру имеют многие смолы и стекла и жизненно важные составные части живого белка — лецитин, керазин, цереброн.

Холестерическую форму, как явствует из названия, имеют в определенных условиях почти все соединения холестерина. Их молекулы расположены слоями, как у смектических образований, с той только разницей, что там они «стоят», а здесь «лежат». Такие молекулы имеют вид плоской дощечки с флажками или поплавками. Они-то как раз и придают холестерину свойства жидкого кристалла: не дают молекулам располагаться параллельно друг другу, и оси молекул одного слоя становятся под углом к осям другого слоя.

Кристаллы холестерического типа переливаются всеми цветами радуги потому, что они обладают редким свойством: двойным лучепреломлением. Один поляризованный луч отражается, другой проходит через вещество, окрашивая его в разных направлениях по-разному. Стоит лишь немного расстроить хрупкие связи молекул жидких кристаллов, как резко меняются оптические свойства вещества — его окраска, прозрачность. Особенно чутко реагируют рядовые кристаллы на изменения температуры. Охлаждаясь, они становятся фиолетовыми, потом голубыми, желтыми, красными и снова бесцветными. Можно так подобрать смесь жидких кристаллов, что совершенно определенный цвет будет соответствовать определенной температуре. Всякое нарушение однородности материала сопровождается неравномерным распределением тепла, и жидкие кристаллы дают возможность деликатно и безвредно вести контроль за состоянием новорожденных или больных в бессознательном состоянии: с их помощью можно воспроизвести точную карту расположения и выходов к коже кровеносных сосудов — ведь там, где залегает сосуд, температура всегда несколько выше. Жидкокристаллические пленки используют при изучении температурных перепадов в раковых опухолях, различных очагах поражения кожи и в других подобных случаях.

Вообще поведение холестерина в жидкокристаллическом состоянии представляет чрезвычайный интерес для медицины. Выяснением его роли много занимался известный русский патофизиолог профессор Семен Сергеевич Халатов. Он установил, например, что у людей при некоторых заболеваниях резко повышается содержание жидких кристаллов в организме. Отлагаясь в тканях, жидкие кристаллы разрушают клетки.

Если мы будем знать как устроены, как образуются, и разрушаются жидкие кристаллы, то сможем не только определять, но и предупреждать такие тяжелые заболевания, как ожирение селезенки, некоторые кожные болезни, «старческое» помутнение роговицы и желчнокаменную болезнь.

Не менее важны эти знания для изучения живой клетки. Оказывается, жидкие кристаллы не только разрушители. Многим вполне здоровым, нормальным живым клеткам свойственно жидкокристаллическое состояние. Сложной жидкокристаллической системой является и человеческий мозг. Серое вещество в основном состоит из жидких кристаллов. А в белом веществе и проводящих путях нервной системы жидкие кристаллы играют роль диэлектриков. Они образуют оболочку вокруг нервных волокон — нейронов. Коллаген, содержащийся в опорных тканях — костях, сухожилиях и мозге, — близок по структуре к кристаллам нематического типа.

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) — хранитель и передатчик наследственной информации в живом организме — тоже образует жидкие кристаллы так называемого лиотропного типа.

Такая распространенность жидких кристаллов в живом организме не случайна. Они легко поглощают и растворяют различные вещества. Замечательные свойства: пластичность и гибкость в сочетании с устойчивостью к внешним воздействиям, чувствительность и тонкость структуры — все это делает жидкие кристаллы незаменимыми элементами живых тканей.