آب، ماده‌ای با ویژگی‌های زیست‌سازگار

به قلم Edwin Cartlidge    |    صاحب امتیاز: مجله‌ی New Scientist    |    برگردان: محمود حاج‌زمان    |    کلیدگزاری و ویرایش مجدد: شبکه هوا و فضا

آب، فراوان‌ترین و به‌ جرات مهم‌ترین مایعی است که دستکم روی زمین وجود دارد. اما اهمیت آن به پدیده‌های زیستی منحصر نمی‌شود. ویژگی‌های فیزیکی آب در مقایسه با دیگر مواد روی زمین، بی‌نظیر است. ویژگی‌هایی که بیشتر می‌توان از آنها به عنوان عواملی یاد کرد که به آب خاصیت زیست‌سازگاری داده‌اند. در حقیقت، به شکل فلسفی، این آب می‌باشد که با غیرطبیعی کردن ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی خود، خود را برای به عهده گرفتن نقشی حیاتی بر روی کره زمین (و شاید بر روی کرات دیگر در کائنات) آماده کرده است.

تصویر اشعه ایکس از ملکول‌های آب

ما در کیهان با معما‌ و رازهای پیچیده‌ی بسیاری روبرو هستیم، از ماهیت ماده تاریک و سر منشاء جهان گرفته، تا تحقیق بر روی نظریه‌ی همه‌چیز. اینها همه معماهایی هستند در مقیاس‌های بزرگ، اما حتی می‌توان معمایی در ابعاد بسیار کوچکتر را در جهان فیزیک مطرح و در آشپزخانه خانه خود آنرا بررسی نمود. این معما اگر به همان اندازه بزرگ نباشد، ولی کمتر پیچیده نیست. فقط یک لیوان را از آب سرد پر کنید و یک قالب یخ در آن بیاندازید. این پدیده که یخ بر روی سطح آب شناور می‌شود، بسیار شناحته شده و در عین حال اولین ویژگی عجیب این ماده است. زمانی معما پیچیده‌تر می‌شود که با استفاده از یک دماسنج دمای آب را در اعماق مختلف آن اندازه بگیریم. در بالا و در نزدیک قالب یخ، شاهد خواهیم بود که دمای آب نزدیک به صفر درجه سلسیوس می‌باشد، اما در انتهای لیوان دما تا ۴ درجه افزایش پیدا می‌کند. دلیل این پدیده آن است که چگالی آب در دمای ۴ درجه سلسیوس از هر دمای دیگری بیشتر است. این ویژگی عجیب آب، آن را از هر مایع دیگری متمایز می‌سازد.

برخی از خواص عجیب آب برای زندگی حیاتی هستند. به دلیل آنکه چگالی یخ از آب کمتر است و چگالی آب در نقطه انجماد کمتر از زمانی است که آب تا چهار درجه گرم‌تر باشد، آب نسبت به ته لیوان، از بالا به پایین منجمد می‌شود. به خاطر همین ویژگی، حتی در طول عصر یخبندان، زندگی در اعماق دریاها و اقیانوس‌ها همچنان ادامه داشت و به همین دلیل ظن آن می‌رود که حیات احتمالی در زیر یخ‌های قمر مشتری، اروپا، در جریان باشد. آب همچنین، ظرفیت خارق‌العاده‌ای برای گرفتن گرما دارد (که بدان گرمای نهان تبخیر گفته می‌شود) که به ملایم‌تر کردن تغییرات آب ‌و هوایی کمک می‌کند.

تمام ویژگی‌هایی که در بالا بدان اشاره شد، عواملی می‌باشند که در صورت عدم وجود آنها، آب خود می‌توانست به ماده‌ای برای نابودی حیات بر روی زمین (و حیات احتمالی بر روی کرات دیگر در کائنات) تبدیل شود.

دستکم تاکنون، هیچ نظریه‌ی واحدی نتوانسته است تا یک نظریه‌ی قابل قبول برای توضیح خصوصیات اسرارآمیز آب ارائه دهد. اگر ما بتوانیم نظریات Anders Nilsson از فیزیکدانان دانشگاه Stanford کالیفرنیا و Lars Pettersson از دانشگاه Stockholm سوئد و همکاران این دو را بپذیریم، شاید بالاخره توانسته‌ باشیم به دلیلی واقع‌بینانه که بسیاری از خصوصیات غیرعادی آب را توضیح می‌دهد، پی برده باشیم. نظریات جنجالی این دو پژوهشگر، بسط دهنده‌ی نظریه‌ای است که بیش از یک قرن پیش، توسط Wilhelm Röntgen، کاشف اشعه ایکس، ارائه شده بود. او ادعا کرده بود که مولکول‌ها در آب مایع آن گونه که در کتاب‌های امروزی می‌بینیم، تنها از یک مسیر به هم نپیوسته‌اند، بلکه پیوند از دو مسیر به کل متفاوت انجام می‌شود.

کلید فهم اسرار آب، نحوه‌ی تعامل مولکول‌های آن با یکدیگر است؛ مولکول‌هایی که از یک اتم اکسیژن و دو اتم هیدروژن تشکیل شده‌اند. اتم اکسیژن بار منفی ناچیزی دارد و اتم‌های هیدروژن، در مجموع بار مثبتی معادل آن دارند. به همین ترتیب، اتم‌های هیدروژن و اکسیژن مولکول‌های همسایه، از طریق تشکیل پیوندی به نام پیوند هیدروژنی به یکدیگر جذب می‌شوند. پیوندهای هیدروژنی، خیلی ضعیف‌تر از پیوندهایی هستند که اتم‌ها را در مولکول‌ها در کنار هم قرار می‌دهند، و به همین دلیل همواره در حال گسیختن و بازپیوستن می‌باشند. این پیوندها هنگامی به بیشینه‌ی توان خود می‌رسند که مولکول‌ها به نحوی کنار هم قرار گرفته باشند که هر پیوند هیدوژنی در امتداد یک پیوند مولکولی قرار یگیرد (تصویر روبرو). شکل یک مولکول آب به نحوی است که هر مولکول H₂O در میان چهار مولکول همسایه قرار می‌گیرد و یک هرم با قاعده مثلثی را تشکیل می‌دهد، که به طور معمول به نام tetrahedron یا چهارسطحی شناخته می‌شود. دست کم، این راهی است که مولکول‌ها در یخ در کنار هم قرار می‌گیرند. به شکل ساده می‌توان فرض کرد که آب مایع نیز دارای یک ساختار مشابه ولی با صلبیت کمتر می‌باشد که در آن مولکول‌های بیشتری می‌توانند در برخی از فضاهای خالی یک آرایش چهارسطحی قرار بگیرند. این امر توضیح می‌دهد که چرا آب مایع از یخ چگال‌تر است، و به نظر می‌رسد که با نتایج آزمایش‌های گوناگون که در آنها پرتوهای ایکس، فرو سرخ و نوترون‌ها، از نمونه‌های آب منعکس می‌شوند همخوانی داشته باشد.

برخی از فیزیکدان‌ها ادعا کرده‌اند که آبی که تحت شرایط خاص قرار گرفته باشد، به دو ساختار به کل متفاوت تجزیه می‌شود. ولی اکثر آنها چنین فرض می‌کنند که در شرایط عادی، تنها یک ساختار وجود دارد. اما حدود ده سال پیش، یک کشف اتفاقی توسط Pettersson و Nilsson، این تصویر را به چالش کشید. آنها در حال استفاده از طیف‌سنج جذبی اشعه ایکس برای تحقیق بر روی آمینو اسید گلیسین بودند. نقاط پیک در طیف جذبی اشعه ایکس می‌تواند ماهیت دقیق اتصالات شیمیایی ماده هدف را مشخص کنند، و همچنین به تعیین ساختار آن کمک کنند. نکته مهم این بود که آن دو از یک منبع جدید قدرتمند اشعه ایکس استفاده می‌کردند که می‌توانستند با استفاده از آن، اندازه‌گیری‌های حساس‌تر و دقیق‌تری 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 جالب‌تری به نسبت خود آمینو اسید تولید می‌کرد. Nilsson می‌گوید: «آن‌چه ما دیدیم بسیار جالب بود و ما احساس کردیم که باید به دلیل آن پی ببریم». ویژگی خاصی که توجه آنها را به خود جلب کرد یک نقطه پیک در طیف جذبی بود که توسط مدل‌های سنتی آب مایع پیش‌بینی نشده بود. در حقیقت، در مقاله‌ای که آنها در سال ۲۰۰۴ منتشر کردند چنین نتیجه گرفتند که در هر لحظه، ۸۵ درصد از پیوندهای هیدروژنی در آب، باید تضعیف و یا شکسته شده باشند. این مقدار خیلی بیشتر از ۱۰ درصدی است که توسط مدل‌های کتب درسی پیش‌بینی شده است (New Scientist، جلد ۳۰۴ صفحه ۹۹۵).

مفاهیم این یافته بسیار جالب توجه هستند. این به معنی آن است که یک بازنگری کامل در ساختار آب مورد نیاز است. در نتیجه Nilsson و Pettersson شروع به انجام آزمایش‌های دیگری با پرتو ایکس برای اثبات ادعای خود کردند. اولین حرکت آنها استقبال از کمک Shik Shin از دانشگاه توکیو در ژاپن بود. وی متخصص تکنیکی است که «طیف‌سنجی نشری اشعه ایکس» نام دارد. نکته کلیدی در مورد این طیف‌سنجی این است که در طیف نشری یک ماده، هر چه طول‌موج اشعه ایکس کوتاه‌تر باشد، پیوند هیدروژنی باید ضعیف‌تر 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 اشعه‌های ایکس با طول‌موج بلندتر، نشان دهنده‌ی سهم مولکول‌هایی است که به صورت چهار سطحی آرایش یافته‌اند، در حالی که پیک طول‌موج کوتاه‌تر، بازتاب دهنده‌ی سهم مولکول‌هایی است که ساختار متفاوتی دارند. جالب اینجا بود که پیک طول‌ موج کوتاه‌تر در نشر اشعه ایکس شدیدتر از دیگری بود (اینجا را مطالعه کنید). این بدان معنی است که مولکول‌هایی با پیوند ضعیف‌تر در آن نمونه، شایع‌تر بودند و این خود تاییدی بر ادعای پیشین اعضای گروه بود. علاوه بر آن، آنها همچنین دریافتند که هر چه آب گرم‌تر باشد، این پیک به طول‌موجهای کوتاه‌تری منتقل می‌شود، در حالی که پیک دیگر، کمابیش ثابت باقی می‌ماند. این بدان معنی است که پیوند‌های هیدروژنی اتصال دهنده مولکول‌های موجود در این ساختار متفاوت، در اثر گرما بیشتر تضعیف می‌شوند که باز هم با پیشبینی‌های گروه مطابقت داشت. آنها سپس داده‌های تجربی قدیمی‌تر را، که به نظر می‌رسید که با شکل سنتی آب مطابقت دارد، دوباره بررسی کردند و اکنون ادعا می‌کنند که این نتایج نیز با مدل جدید مطابقت دارد.

اگر آنها درست بگویند سوال دیگری مطرح می‌شود: تفاوت‌ها در ساختارهای مختلف آب مایع تا چه اندازه است؟ برای یافتن پاسخ، آنها از یک اشعه ایکس پر توان استفاده کردند که در منبع نور تابشیSynchrotron  دانشگاه استنفورد در کالیفرنیا تولید شده بود. این بار، چگونگی پراکندن پرتوهای ورودی از زاویه‌های مختلف به سطح آب، مورد ارزیابی واقع شدند. به گفته آنها، نتایج آشکار می‌کند که آب پوشیده از نواحی کوچکی از مولکول‌هایی است که به صورت چهار سطحی آرایش یافته‌اند، و طول هر ناحیه نیز بین ۱ تا ۲ نانومتر است (اینجا را مطالعه کنید). با ترکیب این یافته‌ها با اندازه‌گیری‌های دیگری که توسط Uwe Bergmann در دانشگاه Stanford انجام شده‌ بود، آنها نتیجه گرفتند که ساختارهای منظم، که هر یک به طور متوسط شامل ۵۰ تا ۱۰۰ مولکول هستند، توسط دریایی از پیوند‌های مولکولی ضعیف احاطه شده‌اند. ولی این نواحی ثابت نیستند. در کمتر از یک تریلیونیوم ثانیه، مولکول‌های آب بین دو حالت گسست و باز تولید پیوندهای هیدروژنی نوسان می‌کنند.

توازن متغیر بین دو نوع آب که توسط Nilsson و Pettersson مطرح شده بود، می‌تواند توضیحی باشد بر اینکه چرا آب در دمای ۴ درجه به بیشترین چگالی خود می‌رسد. در نواحی آشفته مولکول‌های آب به هم نزدیک‌‌تر هستند که این خود باعث چگال‌تر شدن آب نسبت به نواحی می‌شود که مولکول‌های آب در ساختار چهار سطحی منظم آرایش داده شده‌اند. در دمای صفر درجه نواحی آشفته به نسبت کمیاب هستند، اما زمانی که آب گرم‌تر می‌شود، انرژی گرمایی اضافی تمایل بیشتری به لرزاندن و جدا کردن ساختارهای منظم‌تر می‌یابد. بنابراین مولکول‌ها زمان کمتری را در ساختارهای منظم چهار سطحی و مدت زمان بیشتری را در نواحی آشفته سپری می‌کنند، امری که در مجموع باعث بیشتر شدن چگالی می‌شود.

از سوی دیگر، زمانی‌که دما افزایش می‌یابد، حرکت مولکول‌های با پیوند ضعیف‌تر بیشتر خواهد شد و همین مسئله به‌تدریج آنها را وا می‌دارد که از هم دورتر شوند. این بسط که یک بار به توضیح دلیل چگالی بیشینه آب در دمای ۴ درجه سلسیوس بالای صفر کمک کرده بود، این بار نیز به توضیح دلیل کاهش چگالی و افزایش حجم آب با افزایش بیشتر دمای آن کمک می‌کند.

به عقیده‌ی Pettersson، این نظریه توضیحات کاملی را برای بسیاری از خواص غیرطبیعی و غیر قابل توجیه دیگر آب ارائه می‌کند. مواردی که به ادعای آن دو، دیگر نظریه‌ها هنوز نتوانسته‌اند به آن دست یابند. Martin Chaplin، که یک شیمیدان در دانشگاه South Bank لندن است، با این نظریه موافق است. به اعتقاد وی، توضیحاتی که بر مبنای سیستم تک مولفه‌ای متعارف بودند، مجبور بودند زمانی که دمای آب تغییر می‌کند تلاش زیادی بکنند تا بتوانند ویژگی‌های متعدد آب از قبیل کمینه و بیشینه را با نظریه خود سازگار کنند. Chaplin می‌گوید: «ساختار دوگانه در کل با آزمایش‌ها همخوانی دارد و می‌تواند خصوصیات غیر عادی آب را خیلی ساده‌تر از مدل‌های سنتی توضیح دهد».

به مقاله‌ی سال ۲۰۰۴ Nilsson و Pettersson در مجله‌ی Science تاکنون بیش از ۳۵۰ بار توسط محققین دیگر، ارجاع شده است. با این حال، هنوز خیلی‌ها بدبین هستند. یک بدبینی این است که توضیح گروه در مورد نتایج طیف‌سنجی اشعه ایکس، بر مبنای شبیه سازی دست کم ۵۰ مولکول آب در حال تعامل با هم است. یک مدل بینهایت پیچیده که تنها می‌تواند به طور تقریبی حل شود. Richard Saykally از دانشگاه Berkeley کالیفرنیا می‌گوید: «ما نیاز به یک نظریه خیلی دقیق‌تر داریم تا بتوانیم چنین ادعای بزرگی را بپذیریم». او ادعا می‌کند که تنظیمات کوچک برای آرایش پیوندهای هیدروژنی در ساختارهای متعارف، برای توضیح نتایج اشعه ایکس Pettersson و Nilsson کفایت می‌کنند. حتی یکی از اعضای گروه آنها، Michael Odelius از دانشگاه استکهلم، همکاری خود را با آنها قطع کرد چرا که با تفسیر آنها از داده‌های نشر اشعه ایکس موافق نبود.

یک نکته جزئی که خیلی از افراد را به این نظریه بدبین کرده بود، یک ادعا در مقاله سال ۲۰۰۴ بود که مولکول‌هایی که پیوند ضعیف‌تری دارند، تشکیل حلقه و زنجیره می‌دهند؛ و در واقع Nilsson و همکارانش نیز اکنون کمتر در مورد جزئیات ساختار مولکولی نامنظم اظهار نظر می‌کنند. ولی Eugene Stanley از دانشگاه Boston باور ندارد که این امر در کل نظریه‌ی آنها را زیر سوال می‌برد. وی می‌گوید: «من فکر نمی‌کنم 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 می‌کند.

هیچ شکی نیست که هنوز Nilsson و Pettersson با مخالفت‌های شدیدی مواجه خواهند بود، ولی در ازای آن به یک درک فراگیر از ساختار آب مایع دست یافتند که می‌تواند منجر به درک بهتر از مواردی مانند چگونگی برهم‌کنش پروتئین‌ها و داروها با مولکول‌های آب در بدن، و در نتیجه تولید داروهای موثرتری گردد. با دادن یک ایده‌ی بهتر از چگونگی رفتار مولکول‌های آب در اطراف منافذ ریز ما، می‌تواند به تلاش‌ها برای نمک زدایی و تصفیه آب کمک کند و سطح دسترسی به آب تمیز را بیشتر کند. Pettersson می‌گوید: «درک ما از آب یک تصور در حال تکامل است. پیش از تکمیل این تصور، ‌تحقیقات بیشتری باید توسط گروه‌های مختلف انجام شود».