Die komplexen Wechselwirkungen zwischen Wassermolekülen könnten erklären, warum diese spezielle polare Flüssigkeit zur Grundlage des Lebens wurde, wie wir es kennen.
Modellierung eines Clusters von Wassermolekülen; verschiedene Farben entsprechen verschiedenen Zuständen von Wasserstoffbrücken
Wasser scheint nur auf den ersten Blick so einfach und klar. Auf molekularer Ebene ist es ein äußerst interessantes und mysteriöses Objekt. Beispielsweise haben erst kürzlich Computersimulationen gezeigt, dass Wassermoleküle zwei Arten von Strukturen bilden, die sich in Sekundenschnelle bilden, auflösen und ineinander umwandeln. Diese Entdeckung könnte auch erklären, warum Wasser zur Grundlage des Lebens wurde.
Sogar ein Wassermolekül scheint extrem einfach zu sein: ein gleichschenkliges Dreieck mit ein paar Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom an der Spitze. Wir erinnern uns aus der Schule, dass Sauerstoff, der Elektronen von Wasserstoffatomen auf sich zieht, eine schwache negative Ladung annimmt und Wasserstoffatome positiv geladen werden. Entgegengesetzte Ladungen ziehen sich an, wodurch Wassermoleküle eine Wasserstoffbrücke bilden können, die fast 20-mal schwächer ist als eine normale kovalente Bindung zwischen Atomen in einem Molekül.
Durch Wasserstoffbrückenbindungen entstehen im Wasser komplexe supramolekulare Strukturen, die für einen unbedeutenden Bruchteil einer Sekunde bestehen und dann wieder zerfallen. Es wird angenommen, dass es diese Eigenschaft war, die es Wasser ermöglichte, die Grundlage des Lebens auf der Erde zu werden. Aber auch andere niedermolekulare polare Substanzen wie Ammoniak oder Wasserstoffperoxid sind zu solchen Wechselwirkungen befähigt. Warum genau Wasser? Diese Frage ist interessant und komplex – vor einigen Jahren zählte sie das Magazin Science anlässlich seines 125-jährigen Jubiläums zu den 125 wichtigsten ungelösten Problemen der modernen Wissenschaft.
Vielleicht wird diese Frage durch eine kürzlich durchgeführte Studie beantwortet, in deren Verlauf Wissenschaftler erstmals ein Computermodell der Entstehung, Entwicklung und des Zerfalls solcher Strukturen im Wasser erstellten. Die Überraschung war die Komplexität und Dynamik dieses Prozesses. Anscheinend können solche Strukturen zu zwei möglichen Typen gehören – einige sind formlos und „locker“, andere sind geordneter und dichter (übrigens wurden einige Beweise dafür, dass es zwei Arten von Strukturen im Wasser gibt, früher in Laborstudien erh alten). Sowohl diese als auch andere Strukturen unterscheiden sich nicht in ihrer Stabilität und haben in einer Sekunde Zeit, milliardenfach zu zerfallen und neue Agglomerate zu bilden - die Zeit ihrer Existenz wird auf 200–400 Femtosekunden geschätzt.
Infolgedessen bewegt sich in einem Gemisch aus Wassermolekülen jedes einzelne Molekül fast willkürlich. Aber die darin enth altenen Wasserstoffatome können als eine Art "temporärer Anker" dienen, in dessen Wechselwirkung die Sauerstoff- oder Stickstoffatome, aus denen organische Verbindungen bestehen, deren Stabilisierung in der Zusammensetzung komplexerer Makromoleküle erleichtern. Soweit wir heute wissen, ist keine andere polare Flüssigkeit in der Lage, verschiedene Arten von supramolekularen Agglomeraten zu bilden.
Laut den Autoren der Arbeit fangen wir gerade erst an zu entdecken, wie die innere Struktur von Wasser auf molekularer Ebene die Funktion von Proteinen und anderen biologischen Verbindungen beeinflusst. Und dieser Einfluss reicht offenbar weiter, als es auf den ersten Blick scheint. Einer von ihnen, der Schweizer Peter Hamm, sagt: „Es wird immer deutlicher, dass Wasser mehr als nur ein Lösungsmittel ist, sondern als wesentlicher Bestandteil der funktionellen Struktur von Proteinen bezeichnet werden kann.“
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