Gyvybė egzistuoja dėl kvantinių vandens efektų

Bet kompiuteriniai modeliai rodo, kad kvantinė mechanika vos neišplėšė šių gyvybę teikiančių savybių iš vandens. Daugelis jų kyla dėl silpnų vandenilinių jungčių, laikančių H₂O molekules tinklinėje struktūroje. Pavyzdžiui, būtent vandeniliniai ryšiai, nulemdami mažesnį tankį, išlaiko ledo molekulių atviresnę struktūrą, nei skysto vandens. Be vandenilinių jungčių skysto vandens molekulės judėtų laisviau ir užimtų daugiau vietos, nei kieto būvio vanduo.

Tuo tarpu modeliai, vertinantys ir kvantinius efektus, rodo, jog tokių vandenilinių jungčių ilgis kinta dėl Heizenbergo neapibrėžtumo principo, kuris skelbia, kad jokia molekulė negali turėti griežtai apibrėžtos vietos kitų molekulių atžvilgiu. Paprastai ši sąlyga destabilizuoja molekulių tinklą ir panaikintų daugelį vandens ypatybių. „Taigi, kvantiniai efektai viską sėkmingai sugriauna“, – sako Filipas Salmonas (Philip Salmon) iš Bato universiteto JK.

Tačiau tik ne vandens atveju. Kyla labai įdomus klausimas – kaip, nepaisant šių destabilizuojančių kvantinių efektų, vandenyje išlieka vandenilinių jungčių tinklai? Ilgą laiką atsakymo į šį klausimas nebuvo.

2009-aisiais teoretikas Tomasas Marklandas (Thomas Markland), dabar dirbantis Stenfordo universitete Kalifornijoje, kartu su kolegomis pasiūlė galimą paaiškinimą, kodėl nesuyra trapi vandens struktūra. Jie apskaičiavo, kad neapibrėžtumo principas turėtų paveikti ir jungčių ilgius kiekvienoje vandens molekulėje ir iškėlė idėja, kad tai vyksta tokiu būdu, kad trauka tarp vandens molekulių stiprėja ir išlaiko vandenilinių jungčių tinklą. „Vandenyje veikia du kvantiniai efektai, kurie vienas kitą panaikina“, – paprastais žodžiai idėją aiškina Marklandas.

Nors teorija skambėjo logiškai, tačiau buvo neįmanoma jos patikrinti praktiškai – iki šiol nebuvo galimybių matuoti vandens molekulių jungčių ilgių variacijas.

Dabar Salmon’o komandai pavyko tai padaryti. Jie panaudojo sunkųjį vandenį, kuriame du vandenilio atomai pakeičiami deuteriu. Šio vandenilio izotopo branduolyje be protono dar yra ir neutronas. Dėl papildomos naštos jį mažiau veikia kvantinis neapibrėžtumas. „Tai panašu į situaciją, kuomet kvantinę mechaniką pusiau išjungtume“, – sako tyrime nedalyvavęs Krisas Benmoras (Chris Benmore) iš Argono Nacionalinės laboratorijos Ilinojuje.

Salmonas ir kolegos apšaudė neutronais įvairias vandens versijas ir tyrė, kaip šie atšoko nuo atomų – taip tiksliai išmatuojamas jungčių ilgis. Jie taip pat sunkiame ir normaliame vandenyje paprasta deguonį pakeitė į sunkesnius deguonies atomus – tai leido tiksliai nustatyti, kurias jungtis jie matuoja.

Buvo išsiaiškinta, kad vandenilio-deguonies jungtys buvo šiek tiek ilgesnės, nei deuterio-deguonies, o taip ir turėtų būti, jei kvantinis neapibrėžtumas veiktų vandens struktūrą. „Niekas anksčiau to nebuvo matavęs“, – apibendrina Benmore’as.

Esame ne kartą girdėję teiginį, kad kosmoso fizikinės konstantos yra tiksliai suderintos gyvybei. Panašu, vandens moleklių kvantinės jėgos irgi gali būti įrašytos į šį „idealiai tinkamas“ sąrašą.