Forskere måler endelig styrken til båndene som holder vann sammen
Vann har noen bemerkelsesverdige egenskaper. Den har nesten den høyeste spesifikke varmekapasiteten av noe stoff, noe som betyr at den kan absorbere mye varmeenergi når miljøet er varmt, og frigjøre mye varmeenergi når miljøet er kaldt -- noe som gjør den til den primære regulatoren for overflatetemperaturen på jorden. Den blir mindre tett når den størkner, slik at vannhabitater i kalde områder vil forbli delvis flytende når fast is flyter til toppen av vannsøylen og danner et beskyttende lag - slik at innbyggere i vann kan overleve iskalde vintre. Når vannmolekyler dannes, adopterer de en tetraedrisk geometri, en av konsekvensene av dette er dannelsen av en delvis elektrisk dipolaritet - noe som gjør vann til et viktig løsningsmiddel. Faktisk kalles vann det "universelle løsningsmidlet", fordi det løser opp flere stoffer enn noen annen væske.
Kilden til mange av vannets bemerkelsesverdige egenskaper skyldes dets molekylære geometri - den delvise elektriske dipolariteten dannet av de to hydrogendelene og ett oksygenatom. Slik at oksygenatomet er litt elektronegativt ved den ene polen, og de kovalent bundne hydrogenatomene er svakt positivt ladet ved den andre polen. Dette får vann til å danne tetraedrisk-orienterte svake bindinger med tilstøtende vannmolekyler. Det er av denne grunn at vannmolekyler er sterkt tiltrukket av hverandre, noe som betyr at det krever en god del energi for å få dem til å skille seg, for eksempel ved fordampning, eller den økte avstanden forbundet med frysing.
Bilde 1: Hydrogenkrefter i vann
Denne svake bindingen mellom hydrogenatomer og elektronegative elementer kalles hydrogenbinding, som gir vann dets fantastiske kvaliteter, men er også involvert i mange andre molekylære interaksjoner - som å holde DNA-tråder sammen for å danne dobbel-thelixen, koordinere proteinfolding for å muliggjøre nesten hver funksjon av cellen, og forårsake at stabile membraner dannes på grunn av hydrofobe-hydrofile interaksjoner. Det er en så viktig interaksjon at hvis styrken til hydrogenbindingen til og med var litt annerledes i vann, ville livet slik vi kjenner det ikke vært mulig.
"...hvis hydrogenbindingsstyrken var litt forskjellig fra dens naturlige verdi, kan det få betydelige konsekvenser for livet. I ytterpunktene ville vannet ikke vært flytende på jordoverflaten ved sin gjennomsnittlige temperatur, hvis hydrogenbindingene var 7% sterkere eller 29 % svakere. Temperaturen med maksimal tetthet som naturlig forekommer ved ca. 4°C ville forsvinne hvis hydrogenbindingene bare var 2 % svakere. Store konsekvenser for livet er funnet hvis hydrogen-bindingene ikke hadde sin naturlige styrke. Selv svært liten styrking av hydrogenbindingene kan ha betydelige effekter på normal metabolisme Vannionisering blir mye mindre tydelig hvis hydrogenbindingene bare er noen få prosent sterkere, men rent vann inneholder betydelig flere H+-ioner hvis de er få prosent svakere. De viktige alkalimetallionene Na+ og K+ mister sine særegne egenskaper hvis hydrogenbindingene er henholdsvis 11 % sterkere eller 11 % svakere Hydrering av proteiner og nukleinsyrer avhenger kritisk av relativ styrke av biomolekylet - vann-interaksjoner sammenlignet med vann--vann-hydrogenbinding-interaksjonene. Sterkere vannhydrogenbinding fører til at vannmolekyler klynges sammen, og dermed ikke er tilgjengelige for biomolekylær hydrering. Generelt blir de utvidede denaturerte formene av proteiner mer løselige i vann hvis hydrogenbindingene blir vesentlig sterkere eller svakere. Hvis endringene i denne bindingen er tilstrekkelige, kan ikke tilstedeværende naturlige kuleproteiner eksistere i flytende vann. Den generelle konklusjonen av denne undersøkelsen er at vannets hydrogenbindingsstyrke er sentralt plassert innenfor et smalt vindu for dets egnethet for liv." ---Water's Hydrogen Bond Strength
Dette plasserer hydrogenbindingsstyrken, spesielt for vann, i 'finjusteringskategorien' med flere andre konstanter og kraftinteraksjoner av naturen som, hvis de skulle være enda litt forskjellige fra deres gitte verdier, ville forhindre dannelsen av et univers med selv nominelle grader av kompleksitet.
Bilde 2. Vedhengskrefter i vann
Alt tatt i betraktning er den nøyaktige styrken til hydrogenbinding en viktig verdi å vite. Derfor er de siste nyhetene om nøyaktig og direkte kvantitativ måling av hydrogenbindingsstyrke ved atomkraftmikroskopi så spennende. Med denne teknikken kan forskere nå direkte måle styrken til hydrogenbindinger så vel som avbilde hydrogenatomer, noe som tidligere bare ble utledet gitt at hydrogen er det minste grunnstoffet og dets posisjon i et molekyl er vanskelig å bestemme ved bruk av standardteknikker.
"Med bare ett enkelt elektron og et enkelt proton er hydrogen det minste atomet, men dets generering i de tidlige stadiene av universet gjør det til det mest tallrike grunnstoffet, og utgjør 75 % av all (baryonisk- bygd opp av protoner, nøytroner og elektroner) masse. Den ekstremt høye reaktiviteten til hydrogen betyr at det danner lett kovalente forbindelser, med nesten alle ikke-metalliske grunnstoffer, velkjente som, oksygen og karbon. Derfor har identifisering og forståelse av rollen til et slikt allestedsnærværende grunnstoff lenge vært sentrale vitenskapelige utfordringer. Spesielt er hydrokarboner et av de mest varierte og funksjonaliserte produktene i hjertet av ingeniørfag, kjemi og liv, og hydrogen er ofte kritisk i deres funksjon." - presis og direkte kvantitativ måling av hydrogenbindingsstyrke ved atomkraftmikroskopi -lenke
Artikkel: -lenke.
Oversettelse og bilder ved Asbjørn E. Lund