ناگفته هایی از اسرار آب، این مایه حیات - مجله بابلسر

ناگفته هایی از اسرار آب، این مایه حیات

آب، فراوان ترین مایع و به جرات مهم ترین مایعی است که روی زمین وجود دارد؛ اما اهمیت آن به پدیده های زیستی منحصر نمی شود. ویژگی های فیزیکی آب در مقایسه با دیگر مواد روی زمین، بی نظیر است. ما با معما های زیادی روبرو هستیم، از طبیعت ماده تاریک و سر منشاء دنیا گرفته، تا تحقیق برای نظریه همه چیز. اینها همه معماهایی در مقیاس عظیم هستند، اما شما می توانید معمای دیگری را از دنیا فیزیکی مشاهده کنید که از آشپزخانه شما می آید (و اگر همان قدر عظیم نباشد، به همان میزان گیج نماینده باشد). فقط یک لیوان را از آب سرد پر کنید، یک قالب یخ در آن بیاندازید و صبر کنید تا آب از تلاطم بیفتد.

این واقعیت که یخ شناور می شود، اولین مورد عجیب این ماده است. زمانی معما عمیق تر می شود که با استفاده از یک دماسنج دمای آب را در اعماق مختلف میزان بگیرید. در بالا و در نزدیک قالب یخ، می بینید که دمای آب نزدیک به صفر درجه است، اما در انتهای لیوان دما به 4 درجه می رسد. علت آن این است که چگالی آب در دمای 4 درجه سلسیوس، از هر دمای دیگری بیشتر است (یک ویژگی عجیب دیگر که آن را از هر مایع دیگری متمایز می سازد).

به گزارش نیوساینتیست، خواص عجیب آب همچنان ادامه دارد و بعضی از آنها برای زندگی حیاتی هستند. به علت اینکه چگالی یخ از آب کمتر است و چگالی آب در نقطه انجماد کمتر از زمانی است که آب تا چهار درجه گرم تر باشد، آب نسبت به ته لیوان، از بالا به پایین منجمد می شود. بنابراین حتی در طول عصر یخ بندان، زندگی در اعماق دریاها و اقیانوس ها همچنان ادامه داشت. آب ظرفیت خارق العاده ای برای گرفتن گرما دارد و این به ملایم تر کردن تغییرات آب و هوایی یاری می نماید، که در غیر این صورت می تواند زیست بوم ها را نابود کند.

با این حال، به رغم اهمیت بسیار زیاد آب برای حیات، هیچ نظریه واحدی دست کم تا کنون نتوانسته یک شرح قابل قبول برای خصوصیات اسرارآمیز آن ارائه کند. اگر ما بتوانیم نظریات اندرس نیلسون از فیزیکدانان دانشگاه استنفورد کالیفرنیا، و لارس پترسون از دانشگاه استکهلم سوئد، و همکاران این دو را بپذیریم؛ بالاخره توانسته ایم به علت واقعی خیلی از این خصوصیات غیر عادی پی ببریم.

نظریات جنجالی این دو، بسط دهندهنظریه ای است که بیش از یک قرن پیش از این به وسیله ویلهلم رونتگن، کاشف اشعه ایکس، ارائه شده است. او ادعا نموده بود که مولکول ها در آب مایع آن گونه که در کتاب های امروزی می بینیم، تنها از یک طریق به هم نپیوسته اند، بلکه این اتصال از دو جهت کاملا متفاوت انجام می شود.

ساختار اسرارآمیز آب :

کلید فهم اسرار آب، نحوه تعامل مولکول های آن با همدیگر است، مولکول هایی که از یک اتم اکسیژن و دو اتم هیدروژن تشکیل شده اند. اتم اکسیژن بار منفی ناچیزی دارد و اتم های هیدروژن، در مجموع بار مثبتی معادل آن دارند. به همین ترتیب، اتم های هیدروژن و اکسیژن مولکول های همسایه، به وسیله تشکیل پیوندی به نام پیوند هیدروژنی به همدیگر جذب می شوند.

پیوندهای هیدروژنی، خیلی ضعیف تر از پیوندهایی هستند که اتم ها را در مولکول ها در کنار هم قرار می دهند، و به همین علت همیشه در حال گسیختن و بازپیوستن هستند. این پیوندها هنگامی به حدبیشتر قدرت خود می رسند که مولکول ها به نحوی کنار هم قرار گرفته باشند که هر پیوند هیدوژنی در امتداد یک پویند مولکولی قرار بگیرد. شکل یک مولکول آب به نحوی است که هر مولکول H2O در میان چهار مولکول همسایه قرار می گیرد و یک هرم با قاعده مثلثی را تشکیل می دهد، که معمولا به نام تتراهدرون یا چهارسطحی شناخته می شود.

دست کم، این راهی است که مولکول ها در یخ در کنار هم قرار می گیرند. از یک دیدگاه متعارف سنتی، آب مایع یک ساختار مشابه ولی کمتر صلب دارد، که در آن مولکول های بیشتری می توانند در بعضی از فضاهای خالی در یک آرایش چهار سطحی قرار بگیرند. این امر شرح می دهد که چرا آب مایع از یخ چگال تر است، و به نظر می رسد که با نتایج آزمایش های گوناگون که در آنها پرتوهای ایکس، فرو سرخ و نوترون ها، از نمونه های آب منعکس می شوند همخوانی داشته باشد.

بعضی از فیزیکدان ها ادعا نموده اند که آبی که تحت شرایط به خصوصی قرار گرفته باشد، به دو ساختار کاملا متفاوت تجزیه می شود. ولی بیشتر آنها چنین فرض می نمایند که در شرایط عادی، تنها یک ساختار وجود دارد.

اما ده سال قبل، یک کشف اتفاقی به وسیله پترسون و نیلسون، این تصویر را به چالش کشید. آنها در حال استفاده از طیف سنجی جذبی اشعه ایکس برای تحقیق در خصوص آمینو اسید گلیسین بودند. نقاط پیک در طیف جذبی اشعه ایکس می تواند ماهیت دقیق اتصالات شیمیایی ماده هدف را معین نمایند، و بعلاوه به معین ساختار آن یاری نمایند. نکته مهم این بود که آن دو از یک منبع نو قدرت مند اشعه ایکس استفاده می کردند که می توانستند با استفاده از آن، میزان گیری های حساس تر و دقیق تری را نسبت به آن چه تا پیش از این ممکن بود انجام دهند. آنها به زودی دریافتند که آبی که حاوی نمونه گلیسین بود، طیف خیلی جالب تری به نسبت خود آمینو اسید فراوری می کرد. نیلسون می گوید: آن چه ما دیدیم بسیار شورانگیز بود، بنابراین ما احساس کردیم که باید به کنه آن پی ببریم.

مفاهیم مهیج

ویژگی که توجه آنها را جلب کرد یک نقطه پیک در طیف جذبی بود که به وسیله مدل های سنتی آب مایع پیش بینی نشده بود. در حقیقت، در مقاله ای که آنها در سال 2004 منتشر کردند چنین نتیجه گرفتند که در هر لحظه، 85 درصد از پیوندهای هیدروژنی در آب، باید تضعیف و یا شکسته شده باشند. این میزان خیلی بیشتر از 10 درصدی است که به وسیله مدل های کتب درسی پیش بینی شده است.

مفاهیم این یافته بسیار جالب توجه هستند: این به معنی آن است که یک بازنگری کامل در ساختار آب مورد احتیاج است. در نتیجه نیلسون و پترسون آغاز به انجام آزمایش های دیگری با پرتو ایکس برای اثبات ادعای خود کردند. اولین حرکت آنها استقبال از یاری شیک شین از دانشگاه توکیو در ژاپن بود. وی متخصص تکنیکی است که طیف سنجی نشری اشعه ایکس نام دارد. نکته کلیدی در خصوص این طیف سنجی این است که در طیف نشری یک ماده، هر چه طول موج اشعه ایکس کوتاه تر باشد، پیوند هیدروژنی باید ضعیف تر باشد.

نتیجه عالی بود: طیف اشعه ایکس نشری، شامل دو نقطه پیک بود که ممکن بود ناشی از دو ساختار جداگانه باشند. اعضای گروه چنین استدلال کردند که پیک مربوط به اشعه های ایکس با طول موج بلندتر، نشان دهنده سهم مولکول هایی است که به صورت چهار سطحی آرایش یافته اند، در حالی که پیک طول موج کوتاه تر، بازتاب دهنده سهم مولکول هایی است که ساختار متفاوتی دارند.

جالب اینجا بود که پیک طول موج کوتاه تر در نشر اشعه ایکس شدیدتر از دیگری بود. این بدان معنی است که مولکول های با پیوند ضعیف تر در آن نمونه، شایع تر بودند؛ و این خود تاییدی بر ادعای پیشین اعضای گروه بود. علاوه بر آن، آنها بعلاوه دریافتند که هر چه آب گرم تر باشد، این پیک به طول موجهای کوتاه تری منتقل می شود؛ در حالی که پیک دیگر، کمابیش ثابت باقی می ماند.

این بدان معنی است که پیوند های هیدروژنی اتصال دهنده مولکول های موجود در این ساختار متفاوت، در اثر گرما بیشتر تضعیف می شوند؛ که باز هم با پیشبینیهای گروه مطابقت داشت. آنها سپس داده های تجربی قدیمی تر را، که به نظر می رسید که با شکل سنتی آب مطابقت دارد، دوباره آنالیز کردند و اکنون ادعا می نمایند که این نتایج هم با مدل نو مطابقت دارد.

اگر آنها درست بگویند سوال دیگری مطرح می شود: تفاوت ها در ساختارهای مختلف در مایع تا چه میزان است؟ برای یافتن پاسخ، آنها از یک اشعه ایکس پرتوان استفاده کردند که در منبع نور تابشی سینکرترون دانشگاه استنفورد در کالیفرنیا فراوری شده بود. این بار، چگونگی پراکندن پرتوهای ورودی از زاویه های مختلف به سطح آب، مورد ارزیابی واقع شدند. به گفته آنها، نتایج آشکار می نماید که آب پوشیده از نواحی کوچکی از مولکول هایی است که به صورت چهار سطحی آرایش یافته اند، و هر طول هر ناحیه هم بین 1 تا 2 نانومتر است..

با ترکیب ای یافته ها با میزان گیری های دیگری که به وسیله اووه برگمن در دانشگاه استانفورد صورت گرفته بود، آنها نتیجه گرفتند که ساختارهای منظم، که هر یک به طور میانه شامل50 تا 100 مولکول هستند، به وسیله دریایی از پیوند های مولکولی ضعیف احاطه شده اند. ولی این نواحی ثابت نیستند. در کمتر از یک تریلیونیوم ثانیه، مولکول های آب بین دو حالت گسست و باز فراوری پیوندهای هیدروژنی نوسان می نمایند.

شرح غیر قابل شرح!

توازن متغیر بین دو نوع آب که به وسیله نیلسون و پترسون مطرح شده بود، می تواند شرحی باشد بر اینکه چرا آب در دمای 4 درجه به بیشترین چگالی خود می رسد. در نواحی آشفته مولکول های آب به هم نزدیک تر هستند که این خود باعث چگال تر شدن آب نسبت به نواحی می شود که مولکول های آب در ساختار چهار سطحی منظم آرایش داده شده اند. در دمای صفر درجه نواحی آشفته نسبتا کمیاب هستند اما زمانی که آب گرم تر می شود، انرژی گرمایی اضافی تمایل بیشتری به لرزاندن و جدا کردن ساختارهای منظم تر می یابد. بنابراین مولکول ها زمان کمتری را در ساختارهای منظم چهار سطحی و مدت زمان بیشتری را در نواحی آشفته سپری می نمایند، امری که در مجموع باعث بیشتر شدن چگالی می شود.

از سوی دیگر، زمانی که دما افزایش می یابد، حرکت مولکول های با پیوند ضعیف تر بیشتر خواهد شد و همین مسئله به تدریج آنها را وا می دارد که از هم دورتر شوند. این بسط که یک بار به شرح علت چگالی بیشینه آب در دمای چهار درجه سلسیوس بالای صفر یاری نموده بود، این بار هم به شرح علت کاهش چگالی و افزایش حجم آب با افزایش بیشتر دمای آن یاری می نماید.

به عقیده پترسون، این نظریه شرحات کاملی را برای بسیاری از خواص غیرطبیعی غیر قابل توجیه دیگر آب ارائه می نماید. مواردی که به ادعای آن دو، دیگر نظریه ها هنوز نتوانسته اند به آن دست یابند. مارتین چاپلین، که یک شیمی دان در دانشگاه ساوث بنک لندن است، با این نظریه موافق است. شرحاتی که بر مبنای سیستم تک مولفه ای متعارف بودند، مجبور بودند زمانی که دمای آب تغییر می نماید کوشش زیادی بنمایند تا بتوانند ویژگی های متعدد آب از قبیل کمینه و بیشینه را با نظریه خود سازگار نمایند. چاپلین می گوید: ساختار دوگانه کاملا با آزمایش ها همخوانی دارد و می تواند خصوصیات غیر عادی آب را خیلی ساده تر از مدل های سنتی شرح دهد.

به مقاله سال 2004 نیلسون و پترسون در مجله ساینس تا کنون بیش از 350 بار و به وسیله محققین دیگر، ارجاع شده است. با این حال، هنوز خیلی ها بدبین هستند. یک بدبینی این است که شرح گروه در خصوص نتایج طیف سنجی اشعه ایکس، بر مبنای شبیه سازی دست کم 50 مولکول آب در حال تعامل با هم است. یک مدل بینهایت پیچیده که تنها می تواند به طور تقریبی حل شود. ریچارد سایکالی از دانشگاه برکلی کالیفرنیا می گوید: ما احتیاج به یک نظریه خیلی دقیق تر داریم تا بتوانیم چنین ادعای عظیمی را بپذیریم. او ادعا میکند که تنظیمات کوچک برای آرایش پیوندهای هیدروژنی در ساختارهای متعارف، برای شرح نتایج اشعه ایکس پترسون و نیلسون کفایت می نمایند. حتی یکی از اعضای گروه آنها، مایکل اوبلیوس از دانشگاه استکهلم، همکاری خود را با آنها قطع کرد چرا که با تفسیر آنها از داده های نشر اشعه ایکس موافق نبود.

یک نکته جزئی که خیلی از افراد را به این نظریه بدبین نموده بود، یک ادعا در مقاله سال 2004 بود که مولکول هایی که پیوند ضعیف تری دارند، تشکیل حلقه و زنجیره می دهند؛ و در واقع نیلسون و همکارانش هم اکنون کمتر در خصوص جزئیات ساختار مولکولی نامنظم اظهار نظر می نمایند. ولی یوجین استنلی ازدانشگاه بوستون، باور ندارد که این امر کاملا نظریه آنها را زیر سوال می برد: وی می گوید: من فکر نمی کنم که آنها باید تا ابد محکوم شوند. به رغم این که نظریه آنها هنوز جای کار دارد، ولی به گفته او، نتایج پراکنش اشعه ایکس شواهدی بر تایید نظریه آنها ارائه می نماید.

هیچ شکی نیست که هنوز نیلسون و پترسون با مخالفت های شدیدی روبرو خواهند بود، ولی پاداش های یک درک فراگیر از ساختار آب مایع می تواند شایان توجه باشد. این درک می تواند منجر به درک بهتر از مواردی مانند چگونگی برهم کنش پروتئین ها و داروها با مولکول های آب در بدن، و در نتیجه فراوری داروهای موثرتری شود. با دادن یک ایده بهتر از چگونگی رفتار مولکول های آب در اطراف منافذ ریز ما، می تواند به کوشش ها برای نمک زدایی و تصفیه آب یاری کند و سطح دسترسی به آب تمیز را بیشتر کند.

پترسون می گوید: درک ما از آب یک تصویر در حال تکامل است. پیش از تکمیل این تصویر، تحقیقات بیشتری باید به وسیله گروه های مختلف انجام شود. چه کسی می تواند با این حرف مخالفت کند؟

ارسال به وسیله کاربر محترم سایت : vaziry14

/ج

منبع: راسخون