Наш мозок – система рідких кристалів
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Ми живемо в світі кристалів. Кристали не тільки зовні, але і всередині нас: вони складають і речовину мозку, і оболонки нервових клітин, і кров’яні кульки – еритроцити. Правда, кристали ці не звичайні, а так звані «рідкі». Звично думати, що головна ознака кристала – це суворий порядок розташування, періодичність повторення одних і тих же частинок. Звідси – його особливість: різні властивості за різними напрямками.
І тому сама назва «рідкий кристал» містить в собі парадокс, більше того, межує з абсурдом – адже в рідинах і газах немає строгого порядку частинок, навпаки головна їхня ознака – повна однаковість властивостей в будь-яких напрямках. Рідкі кристали – своєрідний проміжний стан речовини: вони текучі, як вода, утворюють краплі, але їх структура впорядкована. Краплі рідких кристалів – завжди строго певної форми.
Зазвичай рідкі кристали виникають, коли охолоджуються розплави або підвищується концентрація розчинів деяких речовин з довгими молекулами. При цьому сама речовина набуває нових, незвичайних властивостей – інше забарвлення, температуру плавлення і т. д. Рідкі кристали не такі вже й рідкісні. Виявилося, що навіть чорнило для авторучок має при висиханні рідкокристалічну структуру.
Ці казково красиві утворення мають три види: смектичні, або милообразні, нематичні, або ниткоподібні, і холестеричні, тобто подібні за будовою з усім відомим холестерином.
Смектичні кристали – це ракетоподібні молекули, збудовані рядами, що утворюють як би поверхи. Так розташовані молекули в мильній бульбашці, де між строгими рядами внутрішньої і зовнішньої поверхні безладно плавають у рідині молекули мила. Так само влаштовані і оболонки нервових волокон живого організму, елементи цитоплазми, структури хлоропластів – речовин, пов’язаних з реакцією фотосинтезу у рослин.
Нематичні кристали менш впорядковані. Їх довгі осі орієнтовані у певному напрямку, як шпильки в коробочці. Таку структуру мають багато смол і скла і життєво важливі складові частини живого білка – лецитин, керазин, цереброн.
Холестеричну форму, як виявляється з назви, мають у певних умовах майже всі з’єднання холестерину. Їх молекули розташовані шарами, як у смектичних утворень, з тією тільки різницею, що там вони «стоять», а тут «лежать». Такі молекули мають вигляд плоскої дощечки з прапорцями або поплавками. Вони-то якраз і надають холестерину властивості рідкого кристала: не дають молекулам розташовуватись паралельно один одному, і осі молекул одного шару стають під кутом до осей іншого шару.
Кристали холестеричного типу переливаються всіма кольорами веселки тому, що вони володіють рідкісною властивістю: подвійне променезаломлення. Один поляризований промінь відбивається, інший проходить через речовину, фарбуючи її в різних напрямках по-різному. Варто лише трохи зіпсувати тендітні зв’язку молекул рідких кристалів, як різко змінюються оптичні властивості речовини – її забарвлення, прозорість. Особливо чутливо реагують рядові кристали на зміни температури. Охолоджуючись, вони стають фіолетовими, потім блакитними, жовтими, червоними і знову безбарвними.
Можна так підібрати суміш рідких кристалів, що абсолютно певний колір буде відповідати певній температурі. Будь-яке порушення однорідності матеріалу супроводжується нерівномірним розподілом тепла, і рідкі кристали дають можливість делікатно і нешкідливо вести контроль за станом новонароджених або хворих в несвідомому стані: з їх допомогою можна відтворити точну карту розташування і виходів до шкіри кровоносних судин – адже там, де залягає судина, температура завжди трохи вище. Рідкокристалічні плівки використовують при вивченні температурних перепадів в ракових пухлинах, різних осередках ураження шкіри і в інших подібних випадках.
Взагалі поведінка холестерину в рідкокристалічному стані становить надзвичайний інтерес для медицини. З’ясуванням її ролі багато займався відомий російський патофізіолог професор Семен Сергійович Халатов. Він встановив, наприклад, що у людей при деяких захворюваннях різко підвищується вміст рідких кристалів в організмі. Відкладаючись в тканинах, рідкі кристали руйнують клітини.
Якщо ми будемо знати як влаштовані, як утворюються, і руйнуються рідкі кристали, то зможемо не тільки визначати, а й попереджати такі важкі захворювання, як ожиріння селезінки, деякі шкірні хвороби, «старече» помутніння рогівки і жовчнокам’яну хворобу.
Не менш важливі ці знання для вивчення живої клітини. Виявляється, рідкі кристали не тільки руйнівники. Багатьом цілком здоровим, нормальним живим клітинам властивий рідкокристалічний стан. Складною рідкокристалічною системою є і людський мозок. Сіра речовина в основному складається з рідких кристалів. А в білій речовині і провідних шляхах нервової системи рідкі кристали грають роль діелектриків. Вони утворюють оболонку навколо нервових волокон – нейронів. Колаген, що міститься в опорних тканинах – кістках, сухожиллях і мозку, – близький за структурою до кристалів нематичного типу.
Дезоксирибонуклеїнова кислота (ДНК) – хранитель і передавач спадкової інформації в живому організмі – теж утворює рідкі кристали так званого ліотропного типу.
Така поширеність рідких кристалів у живому організмі не випадкова. Вони легко поглинають і розчиняють різні речовини. Чудові властивості: пластичність і гнучкість у поєднанні зі стійкістю до зовнішніх впливів, чутливість і тонкість структури – все це робить рідкі кристали незамінними елементами живих тканин.