Сложные взаимодействия между молекулами воды могут объяснить, почему именно эта полярная жидкость стала основой для жизни — в том виде, в каком мы ее знаем.

Только на первый взгляд вода кажется такой простой и понятной. На молекулярном уровне она представляет собой крайне интересный и загадочный объект. К примеру, лишь недавно компьютерное моделирование показало, что молекулы воды образуют структуры двух типов, которые формируются, распадаются и переходят друг в друга за считанные мгновения. Это открытие может объяснять и тот факт, почему именно вода стала основой жизни.

Даже молекула воды кажется предельно простой: равнобедренный треугольник с парой атомов водорода и одним кислородом на вершине. Со школы мы помним, что кислород, оттягивая на себя электроны из атомов водорода, приобретает слабый отрицательный заряд, а атомы водорода становятся заряжены положительно. Противоположные заряды притягиваются, и это позволяет молекулам воды образовывать друг с другом водородную связь, почти в 20 раз более слабую, чем обычная ковалентная связь между атомами в молекуле.

Благодаря водородным связям в воде образуются сложные надмолекулярные структуры, существующие ничтожные доли секунды, и снова распадающиеся. Считается, что именно это свойство позволило воде стать основой жизни на Земле. Однако к подобным взаимодействиям способны и другие низкомолекулярные полярные вещества — например, аммиак или пероксид водорода. Почему же именно вода? Вопрос этот интересен и сложен — несколько лет назад журнал Science, отмечая свое 125-летие, назвал его в числе 125-ти самых важных неразрешенных проблем современной науки.

Возможно, ответ на этот вопрос даст недавнее исследование, в ходе которого ученые впервые создали компьютерную модель формирования, эволюции и распада подобных структур в воде. Сюрпризом оказалась сложность и динамичность этого процесса. Судя по всему, такие структуры могут относиться к двум возможным типам — одни бесформенные и «рыхлые», другие более упорядоченные и плотные (кстати, некоторые свидетельства тому, что в воде существуют два типа структур, были получены ранее в лабораторных исследованиях). И те, и другие структуры устойчивостью не отличаются и за секунду успевают миллиарды раз распасться и образовать новые агломераты — время их существования исчисляется 200−400 фемтосекундами.

В итоге в смеси молекул воды каждая отдельная молекула движется почти хаотично. Но атомы водорода в ней могут служить своего рода «временными якорями», взаимодействуя с которыми атомы кислорода или азота, входящие в состав органических соединений, позволяют им легче стабилизироваться в составе более сложных макромолекул. Насколько сегодня известно, ни одна другая полярная жидкость неспособна к образованию разных типов надмолекулярных агломератов.

По словам авторов работы, мы лишь только начинаем приоткрывать то, как внутренняя структура воды на молекулярном уровне влияет на функционирование белков и других биологических соединений. А влияние это, видимо, простирается дальше, чем кажется на первый взгляд. Как говорит один из них, швейцарец Питер Хамм (Peter Hamm), «становится все яснее, что вода является чем-то большим, нежели просто растворитель, ее скорее можно назвать существенной частью функциональной структуры белков».

Также читайте и смотрите видео: «Танцы под водой».

По публикации ScienceNOW