Milyen rejtélyek rejtőznek egy pohár víz mélyén? Mi okozza a felhők látszólag megmagyarázhatatlan szerkezetét? Vagy miért nem nyikorognak az ízületeink? Az ilyen és hasonló kérdések nemcsak azért maradtak olykor megválaszolatlanul, mert összetettnek tűntek, hanem azért is, mert megkövetelik, hogy a tudósok a tudomány egy politikailag kockázatosnak mondható területével foglalkozzanak: a vízkutatással.
„Senki sem érti igazán a vizet.
Szégyenletes bevallani, de az az anyag, amely bolygónk kétharmadát borítja, még mindig rejtély. Ami még rosszabb, minél többet keresünk, annál több probléma halmozódik fel: az új technikák, amelyek mélyebben hatolnak be a folyékony víz molekuláris felépítésébe, újabb rejtélyeket vetnek fel.” – fejezi ki aggodalmát Philip Ball a H2O: A Biography of Water című könyv szerzője, a Nature folyóirat egykori tudományos tanácsadója.
A vízkutatás kezdeti rögös útjai
A vízkutatás történelmét áthatotta a víz misztikus mivolta, mivel gyakran egzotikus gyógyítóerőt tulajdonítottak neki, mely megnehezítette a tudományos kutatások előmozdítását. A további ok, mely miatt a tudósok elzárkóztak a víztől, az két társadalmi-politikai incidens volt, amelyek mindegyike szörnyű fékező hatással bírt a víz megértésének előrehaladására.
Az első incidens, az úgynevezett „polivíz-botrány” a hidegháború alatt, az 1960-as évek végén kezdődött egy provokatív orosz felfedezéssel. A szenzációhajhászás elkerülhetetlen hajlamával a sajtó pánikot keltett egy elmélet kitalálásával, miszerint ha egy gyűszűnyi polivizet az óceánba öntünk, az egy oltókristályként működhet, egyetlen hatalmas folttá polimerizálva a Föld összes vízkészletét, és ezzel fogyasztásra alkalmatlanná téve azt, azaz az emberiség halálát okozva ezzel.
Két évtizeddel később a víztudomány a kezdődő fellendülés jeleit mutatta – mígnem egy még halálosabb csapás érte: az úgynevezett „vízmemória” botrány. Jacques Benveniste, francia immunológus vetette fel először a vízmemória fogalmát, amely szerint egy anyag oldatból történő erős hígítása után is a kívánt biológiai reakció továbbra is végbemegy. Szinte véletlenül bizonyítékot szereztek arra, hogy a víz képes lehet megőrizni az információkat azoktól a molekuláktól, amelyekkel kölcsönhatásba lép. A víz, mondhatni, képes volt „emlékezni”. „Mindezek ellenére a vízmemória továbbra is jórészt tréfa, semmint komoly tudományos vizsgálat tárgya” – állítja Gerald Pollack a The fourth phase of water: Beyond solid, liquid, and vapor könyv szerzője arra hivatkozva, hogy egyelőre úgy tűnik, sikertelennek bizonyult a kísérleti eredmény reprodukálhatósága.
Egy új állapotú víz...
A víz egy újabb állapota lehet a szilárd, a folyékony, a gáz és a plazmaállapoton túl az úgynevezett kizárási zóna (EZ – exclusion zone) vagy strukturált víz, amelyet Gerald Pollack washingtoni professzor kutatásai tettek ismertté 2003-ban. „A „folyadékkristályos” vagy a „félfolyékony” kifejezések talán jobban érthetőbbek lennének, mivel ezek az elnevezések természetesebben illeszkednek a fázisorientált taxonómiába.” – pontosít Pollack.
A kizárási zóna (EZ) a számos elmerült anyag mellett kialakuló váratlanul nagy vízzóna, mely nevét onnan kapta, hogy gyakorlatilag mindent kizár, a nagy szuszpendált részecskéktől kezdve az apró oldott anyagokig, melyek mérete 0,1 µm-től 10 µm-ig terjedhet. Még a vörösvértesteket, baktériumokat és a közönséges szennyeződési részecskéket is kizárhatja ez a zóna, de megtalálhatjuk a vízcseppek, egyes fémek, és a természetes biológiai felületek mellett is (például az érfal).
„Arra a következtetésre jutottunk, hogy a kizárási jelenség általános: szinte bármilyen hidrofil felület létrehozhat EZ-t, és az EZ szinte mindent kizár, ami vízben szuszpendálódik vagy oldódik.” – állítja Pollack.
Ez a kimutathatóan hatalmas kizáró erő arra utalt, hogy valamiféle kristályszerű anyag állhat a jelenség mögött, mivel a kristályok nagymértékben képesek anyagokat kizárni magukból. Ahogy a rendezett zóna növekszik, ugyanúgy kiszorítja az oldott anyagokat, mint ahogy egy növekvő gleccser kiszorítja a kőzeteket.
„A víz az élet anyaga és mátrixa, anyja és környezete. Víz nélkül nincs élet.” – hangsúlyozta Szent-Györgyi Albert, magyar Nobel-díjasunk.
Gondolkodásának egyik sarokköve a víz hosszú távú rendezettsége volt, amelyet az élet építményének egyik fő pillérének tekintett. Gilbert Ling, amerikai biokémikus hasonlóan gondolkodott, ugyanis hangsúlyozta a víz rendezettségének központi szerepét a sejtek működésében, forradalmi keretet építve a biológiai megértés számára.
Ahhoz, hogy az EZ egy elkülönült állapotnak minősüljön, bizonyos kritériumoknak kell megfelelnie: egyedinek és térben korlátozottnak kell lennie, és jelentős mennyiségben kell léteznie. „A EZ-re ezek mind igazak: a kizárási zónák határoltak, egyedileg strukturáltak, és akár egy méter távolságra is kinyúlhatnak a felületről.” – emeli ki Pollack.
Szerkezeti sajátosságok
A víz szerkezeti tulajdonságait évtizedek óta vizsgálják, de a mai napig vita tárgyát képezik. A kizárási zóna fizikai természetének meghatározásához különféle módszereket alkalmaztak a kutatók, ilyen például a fényelnyelés, infravörös abszorpció és emisszió, mágneses rezonancia képalkotás (MRI), viszkozitás és törésmutató. Eredményeik azt mutatták, hogy a különbségek jelentősek.
Az EZ víz viszkózusabb és stabilabb, mint a mellette található víztest; molekuláris mozgásai korlátozottabbak; fényelnyelési spektrumai eltérnek az UV-látható fény, valamint az infravörös tartományban; és magasabb a törésmutatója. A kizárási zónában lévő víz rendezettebbnek tűnik, mint a távolabbi víztömeg.
A jégnek jól ismert rendezett szerkezete van, síkjai hexagonális (hatszögletű) egységekben rendeződnek el. Az ismétlődő egységek hozzák létre az ismerős méhsejtszerű, merev szerkezetet, amely oxigénből és hidrogénből áll. A kizárási zóna ezzel szemben nem merev; viszkózus folyadékként viselkedik. A kizárási zóna akár fél milliméter széles is lehet, és negatív töltéseket hordoz, de az azon túli víz hatalmas koncentrációban tartalmaz protonokat, így ez a pozitív töltés kiegészíti az EZ negatív töltését.
Összességében a víztest ugyanolyan semleges, mint az EZ építéséhez eredetileg használt víz. Úgy tűnik, ahogy az EZ épül, a víz töltései negatív és pozitív komponensekre bomlanak szét. A méhsejtlemezszerű rétegek a jégtől eltérően eltolódva kapcsolódhatnak egymáshoz, de Pollack hangsúlyozza, hogy a réteges szerkezet gondolata csupán spekulatív. Elmélete szerint, ha az egyik sík negatívjai a következő sík pozitívjaival szemben helyezkednek el, akkor ezek a síkok elektrosztatikus vonzás révén összetapadhatnak. A rács rendkívül szoros, ezért az oldott anyagokat erősen kizárja.
Víz alapú akkumulátor?
A vízmolekulák gyakorlatilag negatív és pozitív töltésekre válnak szét, ami gyanúsan hasonlíthat egy akkumulátorra – egy szétválasztott töltésekkel rendelkező vegyi üzemre. Ha az EZ szétválasztott töltései valóban akkumulátorként viselkedhetnek, akkor az elektromos energiának kinyerhetőnek kell lennie.
„Ha egy elektródát az EZ-be, egy másikat a mögötte lévő zónába helyezünk, és ezt a két elektródát egy ellenálláson keresztül összekötjük, a tárolt töltések áramként folynak.” – állítja Pollack. A forgatókönyv hasonlít a hagyományos akkumulátoréhoz, de egyszerűbb belső felépítésű: itt egy negatív töltésű kizárási zóna található egy pozitív töltésű víz zóna mellett. A szétválasztott töltések elkülönültek maradhatnak, mert a EZ sűrű rácsa megakadályozza, hogy a szabad töltések visszajussanak az ellentétesen töltött EZ-be. Az elválasztás fenntartja a potenciálkülönbséget, de az egyes zónák ennek ellenére sűrűn töltődnek; így a leadható energia jelentős.
Az ilyen típusú víz alapú akkumulátorok mindenhol létezhetnek, ahol hidrofil felületek érintkeznek a vízzel.
Viszont az EZ akkumulátort is valamikor újra kell tölteni. Mivel a természetben nem állnak rendelkezésre fali konnektorok, valamilyen más energiaforrásnak kell kéznél lennie a feladat elvégzéséhez. A felelős tényező a fény lehet. Fény alatt nemcsak az elektromágneses spektrum látható részét értjük, hanem az ultraibolya és infravörös tartományokat is. Az energiaellátás hordozója a sugárzó elektromágneses energia – amelyet a víz elnyel és felhasznál az EZ felépítéséhez és a vele járó töltésszétválás fenntartásához.
Néhány izgalmas laboratóriumi kísérlet
Számos kísérletet végeztek már a vízzel kapcsolatban, melyek nagy része továbbra is ámulatba ejtheti az embereket. Most nézzünk meg párat ezek közül:
A vízből készült híd: két üvegpohár közötti résen keresztül „vízhíd” köti össze a víztesteket. A demonstráció azzal kezdődik, hogy a két főzőpoharat majdnem színültig megtöltik vízzel, majd egymás mellé helyezik őket, oly módon, hogy ajkaik összeérnek. A két főzőpohárba elektródákat merítenek, melyek nagyságrendileg 10 kV-os potenciálkülönbséget hoznak létre. Amint a híd kialakul, a két főzőpohár lassan elválasztható egymástól. A híd nem törik el; tovább nyúlik, áthidalva a főzőpoharak közötti rést, még akkor is, ha az ajkak akár több centiméterre is elválnak egymástól. Meglepő módon a vízhíd alig hajlik; szinte jégszerű merevséget mutat, annak ellenére, hogy a kísérletet szobahőmérsékleten végzik.
A lebegő vízcsepp: A vízcseppnek azonnal el kellene keverednie a vízzel. Ha azonban egy keskeny csőből, közvetlenül egy víztál felett elhelyezve vízcseppeket engedünk ki, ezek a cseppek gyakran egy rövid ideig a víz felszínén úsznak, mielőtt ténylegesen összeolvadnának a felszínnel. A jó idő éppen eső után ígérkezik, amikor a víz a párkányról egy tócsára csöpög.
Lord Kelvin kisülése: Egy fejjel lefelé fordított palackból vagy egy közönséges csapból a víz két ágra oszlik. A cseppek mindkét ágról hullanak, fémgyűrűkön áthaladva csepegnek a fémtartályokba. A gyűrűk és a tartályok elektromos vezetékekkel vannak keresztezve. Fémgömbök nyúlnak ki egymás felé az egyes tartályokból fémoszlopokon keresztül, több milliméteres légrést hagyva a gömbök között. Amint elegendő csepp esett le, egy sercegő hangot hallani. Röviddel ezután egy „villámcsapás” látható a résen keresztül, amelyet egy hallható reccsenés kísér. Elektromos kisülés csak akkor fordulhat elő, ha nagy elektromos potenciálkülönbség keletkezik a két tartály között. Jó példa erre Walter Lewin professzor, aki a kisülést egy ámulatba ejtett MIT elsőéves hallgatókkal teli tanteremben mutatja be. A megfigyelhető kisülés a lehulló cseppek töltéshordozó képességét jelzi.
Rejtélyek a nagyvilágból
Vízzel kapcsolatos érdekes jelenségekkel nemcsak a laboratórium falai között találkozhatunk, hanem a mindennapi életben is. A nedves homok például olyan szilárd, hogy hatalmas homokvárak vagy nagy homokszobrok építésére használható. „De ezek a várak nem pusztán homokból épülnek fel, vizet is tartalmaznak, ami lehetővé teheti az EZ-k kialakulását minden egyes homokszemcse körül. Így protonált vízmolekulák helyezkedhetnek el az EZ-be burkolt homokszemcsék között.” – magyarázza Pollack. Így ezek az eltérő részecskék alkotják a ragasztót, amely végső soron összetartja a várat.
A zselatinos desszertek többnyire vízből állnak. A sok víz miatt sok szivárgásra számítanánk. Azonban nem történik ilyen, mert a gélmátrix számos hidrofil szálból áll. A szálak felületei a vizet EZ vízzé alakíthatják. Az EZ síkok ezekhez a nukleáló szálakhoz és egymáshoz is tapadhatnak; így a zselatin desszert hidratált marad.
De nézzük meg például a bokatörés utáni lábdagadást. Vajon miért dagad meg az érintett terület? A válasz az ozmózisban rejlik. A szövetek, sejtek megsérülnek, melynek következtében megszűnik az ozmózist távol tartó visszatartó erő; az ozmotikus tágulás ezután gyakorlatilag akadálytalanul folytatódhat.
Talán láttál már videókat vízen járó gyíkokról, amint a tó felszínén szaladnak. A sisakos baziliszkuszok (Basiliscus basiliscus) esetében mi az, ami lehetővé teszi ezt a látszólag bibliai mutatványt? „Ez a jelenség egyértelművé teszi, hogy a természetes vízfelületek lényegesen merevebbek lehetnek, mint azt feltételeznénk.” – hangsúlyozza Pollack. Amikor ragadozók elől menekülnek, elegendő lendületet gyűjtenek ahhoz, hogy rövid távolságot átfussanak a vízen, miközben testük nagy részét a víz felett tartják.
Felhők és nyikorgó ízületek
A vízgőz az óceán vizének hatalmas, megszakítás nélküli szakaszaiból emelkedik fel. Ennek a gőznek mindenhol ott kellene lennie homogén módon szétterülve a levegőben, de ennek ellenére fehér pamacsos, vízcseppekből álló felhőkbe tömörülnek a kék égbolton. Ellentétes töltések tarthatják össze ezeket a cseppeket, hogy különálló felhőket alkossanak. Más szóval, az azonos töltésű entitások (jelen esetben vízcseppek) vonzzák egymást, mert ellentétes polaritású töltések helyezkednek el közöttük. „Egy közbenső pozitív töltés így két negatív töltésű cseppet közelebb húz egymáshoz.” – jelenti ki Richard Feynman, amerikai elméleti fizikus a paradox vonzással összefüggésben.
A vízcseppek és a talajfelszín is negatív töltésű, mely utóbbi taszíthatja a vízcseppeket, felfelé tolva azokat. Ez a felfelé irányuló erő segíthet a párolgási emelkedésben. Ennek az elektrosztatikus felhajtóerőnek egy ismerős példája látható a vízesések környékén. A lezúduló víz cseppek ködét hozza létre, amelyek felfelé emelkednek, végül felhőket alkotva.
A mély térdhajlítások általában nem okoznak nyikorgást. Ez azért van, mert a víz kiváló kenést biztosít a csontokat bélelő porcrétegek között. A porc klasszikus gél állagú anyagokból áll: erősen töltött polimerekből és vízből. Mivel a gélfelületek kizárási zónákat tartalmaznak, a porcfelületeknek is tartalmazniuk kell EZ-ket, ami sok oxóniumiont hoz létre a közöttük lévő ízületi folyadékban. Az oxóniumionok taszítóerejének kellene távol tartania a porcfelszíneket – egyes tudósok szerint ezek a felületek soha nem is érnek össze. Ez a távolság magyarázhatja az alacsony mértékű súrlódást. Az ízületi tok néven ismert szerkezet beborítja az ízületet, mely az oxóniumionok szétszóródását korlátozza, így nem lép fel töltésvesztés és alacsony súrlódást tart fenn.
A tudományos kutatás korábbi korszakával szemben, amikor még az egyszerű, egyesítő igazságok keresése vezette a kutatókat, ma láthatóan a részletekbe mélyedés került előtérbe.
Ahogy Pollack rámutat: „A valaha merész tudományos kultúra egyre félénkebbé vált, és ritkán kérdőjelezi meg azokat az alapfogalmakat, amelyek esetleg már túlhaladták hasznosságukat.”
Ez a tendencia különösen érezhető a vízkutatás területén, ahol számos alapvető kérdés még mindig megválaszolatlan. A kizárási zónák jelenségét továbbra is rejtélyek övezik, a megismételhetetlen kísérletek pedig további kétségeket vetnek fel.
Tovább nehezíti a helyzetet, hogy a vízminták könnyen szennyeződhetnek töltéshordozó csoportokkal, és megjelenhetnek bennük nanobuborékok, melyek eltávolítása komoly kihívást jelent. Valószínűleg már a vízkutatás korai szakaszaiban is a fő akadályt a teljesen tiszta víz előállítása jelenthette. Mindezek ellenére a további kutatások ígéretes alkalmazási lehetőségeket kínálnak, különösen az EZ vízzel kapcsolatos felfedezések területén, amelyek forradalmasíthatják a víztisztítást és jelentősen hozzájárulhatnak a bioszennyeződés csökkentéséhez.